УДК 621.865

ГИБРИДНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ИНВАЛИДНЫМ КРЕСЛОМ

В.В. Долматов, В.Н. Хоменко, А.А. Мельник, И.А. Переверзев, В.Ф. Борисенко

Донецкий национальный технический университет

В статті показанні можливості гібридного керування інвалідним кріслом за допомогою електричних двигунів та датчиків сили, що відповідають вимогам сучасного суспільства та покращують життя людей, з обмеженими можливостями руху. Це керування базується на принципах нечіткої логіки з використанням метода Q–learning.

Введение. Развитие в наше время робототехники, средств автоматизации и инновационных математических теорий требует применения этих достижений на практике в тех отраслях, которые направлены на улучшение жизни людей со специальными потребностями.

Приоритетное направление, которому уделяют большое внимание в последние десятилетия ведущие страны мира — это внедрение инновационных технологий в медицину, с целью создания и совершенствования приспособлений, помогающих в передвижении таких людей, способность к самостоятельному передвижению которых ограничена.

Цель работы. Показать возможность применения инновационных технологий, с целью создания гибридного управления инвалидным креслом на базе контроллера нечёткой логики и тензодатчиков, что позволит человеку с ограниченными возможностями движения перемещаться на инвалидном кресле с достаточно высокой скоростью, даже при малейшем приложении сил.

Принцип работы кресла. Человек, чтобы перемещаться, вращает два колеса. При приложении силы, недостаточной для собственного перемещения, начинают работать двигатели. Чем больше человек прилагает усилий, тем большую помощь ему оказывают двигатели. Креслу для полноценной работы необходимо два двигателя: для каждого из двух колес. Если возникнет необходимость развернуться, то тогда человек крутит одно колесо в одну сторону, а другое в другую, поэтому необходимо, чтобы электропривод обеспечивал реверс. Если же человек спускается с наклонной поверхности и ему необходимо замедлить скорость движения, он прикладует руками усилие к ободам колёс, направленное в противоположное движению направление. Для облегчения данного маневра процесс торможения подхватывают двигатели, увеличивая суммарный тормозной момент. Торможение будет осуществляться противовключением. Когда человек перемещается на кресле за счет собственной силы (электропривод при этом не задействован), тогда двигатели работают как генераторы, постоянно подзаряжая аккумулятор.

Всем требованиям, перечисленным выше удовлетворяет ДПТ с постоянными магнитами на статоре, так как он имеет простоту устройства и управления, большой пусковой момент, регулировку скорости в широком диапазоне, а также, что не менее важно, является обратимым, что позволяет использовать его как в двигательном, так и в генераторном режимах.

Для передачи механической энергии от двигателя к колесу, с целью увеличения момента, используется редуктор с передаточным отношением 100.

Очень важным для работы всей системы является вопрос, связанный с логикой управления. Нами принято решение использовать подход, основанный на нечёткой логике и теории нечётких множеств, которая говорит о том, что функция принадлежности элемента к множеству может принимать любые значения в интервале [0...1], а не только 0 или 1 [1]. Структура контроллера нечёткой логики, применённого в работе, показана на рис. 1.

В этой структуре самыми главными составными частями являются фаззификация (переход к нечеткости) и дефаззификация (устранение нечеткости).

Принцип работы контроллера нечеткой логики, разработанного с помощью программного обеспечения Matlab, показан на рис. 2 и 3.

В соответствии с этими двумя рисунками система будет работать следующим образом: человек вращает оба колеса; до определенного момента приложения сил двигатели в движении не участвуют. Если же человек прилагает больше усилий, чем обычно (в следствии движения вверх по наклонной плоскости и т.п.), то тогда в ход идут двигатели, постепенно (по мере приложения сил) увеличивая момент. Собственно говоря, структурная схема такого управления, в соответствии с подходом предпринятым авторами [3], будет иметь вид рис. 4.

Для того, чтобы измерить усилия, приложенные человеком в процессе движения, к шпилькам, соединяющим обод с колесом кресла, крепятся тензорезисторы (резисторы, сопротивление которых изменяется в зависимости от их деформации):

Сигнал, идущий от тензорезисторов является очень слабым, поэтому, прежде чем его подать на контроллер нечёткой логики, его нужно усилить с помощью усилителя рис. 6.

Контроллер нечеткой логики будет формироваться на базе платы ввода/вывода Arduino Mega 2560, имеющей свою программную среду и довольно легко перепрограммирующейся.

Выводы. Инвалидное кресло с гибридным управлением на базе контроллера нечеткой логики имеет ряд преимуществ по сравнению с инвалидным креслом, управляемым джойстиком: меньшие затраты ресурса аккумуляторной батареи (непостоянная работа двигателей и периодическая подзарядка аккумулятора во время движения), а соответственно в несколько раз меньше массо–габаритные показатели, более простой механизм управления поворотом, интуитивно понятный для пользователя. Единственной проблемой кресла с гибридным управлением являются сложности в реализации интеллектуальной части системы управления.

Библиографический список

1. Рыжов А.П. Элементы теории нечётких множеств и её приложений / А.П.Рыжов — Москва, 2003. — 81 с
2. Mehmet Cunkas, Omer Aydogdu. Realization of fuzzy logic controlled brushless DC motor drives using Matlab/Simulink. Mathematical and Computational Applications. — Selcuk University, Turkey, 2010. — Vol. 15, No. 2, pp. 218–229.
3. Jonas Johansson, Daniel Petersson. Torque Sensor Free Power Assisted Wheelchair. — Halmstad University, Sweden, 2007. — pp. 67.