虛擬仿生手聯(lián)合仿真研究*

尚小晶 吳忠偉 徐成波

(吉林建筑大學(xué)城建學(xué)院，長春 130111)

第二次世界大戰(zhàn)以后興起了一個(gè)新的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域即康復(fù)醫(yī)學(xué)［1］.為了提高殘疾人的生活質(zhì)量，使更多殘疾人能像正常人一樣生活，康復(fù)醫(yī)學(xué)在人們生活中的地位越來越高，智能假肢是最直接的研究對(duì)象［2］.目前，國內(nèi)外殘疾人采用較多的康復(fù)假肢主要是英國Touch Bionics公司的i－Limb［3］，還有德國的Otto Bock假肢公司Michelangelo Hand［4］，但這些假肢在準(zhǔn)確度上還存在不足，其靈敏度和準(zhǔn)確度并沒有達(dá)到人們的滿意程度，殘疾人在使用過程中會(huì)有不便利之處.因此，智能假肢的進(jìn)一步研究是目前的研究熱點(diǎn)，有助于彌補(bǔ)殘疾人殘端功能缺陷.本文將Adams軟件和Matlab/Simulink相結(jié)合搭建仿生模型進(jìn)行研究.對(duì)于仿生模型采用的控制算法有很多，PID控制是最經(jīng)典的算法，并且該算法可以克服其他算法必須已知模型數(shù)學(xué)表達(dá)式的不足，簡單快捷的控制模型的動(dòng)作.但PID控制的適應(yīng)性較差，PID參數(shù)的確定也是其控制的一個(gè)問題，在調(diào)試過程中控制器參數(shù)，是根據(jù)試驗(yàn)者經(jīng)驗(yàn)反復(fù)試驗(yàn)、調(diào)試確定，這給模型的控制帶來不便，延長了調(diào)試周期.為了提高效率，本文將模糊理論應(yīng)用于模型控制，通過模糊規(guī)則推測控制器的控制參數(shù)，使虛擬仿生手模型能夠快速準(zhǔn)確的達(dá)到目標(biāo)位置，即完成相應(yīng)的手勢動(dòng)作.

1 仿生手模型建立

虛擬樣機(jī)技術(shù)在實(shí)際生活中的應(yīng)用是通過虛擬樣機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)的.目前國內(nèi)外具有代表性的虛擬樣機(jī)軟件是美國MSC公司的Adams軟件.本文主要采用該軟件建立虛擬模型，且建立的虛擬模型和實(shí)際物理樣機(jī)的功能一致［4］，即實(shí)際物理樣機(jī)可以以虛擬樣機(jī)為技術(shù)依據(jù).

本文建立仿生手的三維模型，仿生手模型一共是14個(gè)自由度，每個(gè)關(guān)節(jié)為一個(gè)自由度，并設(shè)置其對(duì)應(yīng)的參數(shù)，該模型的運(yùn)動(dòng)由相應(yīng)的指令控制，該指令來源于手指關(guān)節(jié)的控制轉(zhuǎn)矩.為了使虛擬手模型更接近食物，在軟件中還設(shè)置與實(shí)物一樣的質(zhì)量、材料和慣量系數(shù).圖1為采用ADAMS軟件建立的虛擬仿生手模型.

從圖1可以看出，采用軟件建立的智能假肢仿生手模型和實(shí)際智能假肢幾乎一樣.在建模的過程中，為了使虛擬手完美完成各勢動(dòng)作，本文在建模型時(shí)將大拇指位置略為下移，與實(shí)際位置有微小偏差.

圖1 虛擬仿生手模

2 虛擬仿生手控制系統(tǒng)

本文建立的仿生手模型可以看成是一個(gè)多輸入多輸出的系統(tǒng)，要想對(duì)其進(jìn)行精確的控制比較困難.因此，本文主要是實(shí)現(xiàn)仿生手的簡單控制，讓該模型能夠準(zhǔn)確的跟蹤給定信號(hào)變化，通過對(duì)虛擬仿生手的控制過程研究，找到實(shí)際智能假肢控制研究的不足并加以改進(jìn).本文研究的虛擬仿生手模型其給定輸入為完成相應(yīng)動(dòng)作的各個(gè)關(guān)節(jié)的角度，采用MATLAB/Simulink軟件構(gòu)件控制系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證虛擬仿生手模型是否能夠快速穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作.圖2為仿生手的運(yùn)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)圖.

該控制系統(tǒng)通過對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)的角度控制，使各個(gè)關(guān)節(jié)能夠達(dá)到目標(biāo)角度，完成完整的手勢動(dòng)作.目標(biāo)位置確定的準(zhǔn)確性直接影響手勢動(dòng)作完成的效果，因此需要對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)的角度進(jìn)行精確的控制.

圖2 仿生手運(yùn)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)

3 虛擬仿生手控制器設(shè)計(jì)

本文以食指為例設(shè)計(jì)控制器，其他手指則以此為依據(jù)推測控制器及參數(shù).同理，食指的3個(gè)關(guān)節(jié)控制方式一樣，以一個(gè)關(guān)節(jié)為例設(shè)計(jì)控制器，穩(wěn)定性是其正常運(yùn)行的前提條件，因此通過調(diào)試使該關(guān)節(jié)穩(wěn)定運(yùn)行，其他手指及關(guān)節(jié)均可以此類推.

本文將虛擬仿生手作為控制對(duì)象，但該模型無法用精確的數(shù)學(xué)表達(dá)式表示，即模型的控制參數(shù)無法通過精確的數(shù)學(xué)表達(dá)式推到出來.所以，被廣泛應(yīng)用于無精確數(shù)學(xué)模型控制的PID控制器為本文控制器設(shè)計(jì)的最優(yōu)選擇.圖3為PID控制一個(gè)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)圖.

PID控制器的控制參數(shù)只能根據(jù)調(diào)試者的多年經(jīng)驗(yàn)及多次實(shí)驗(yàn)的推導(dǎo)，該過程周期較長.但每個(gè)動(dòng)作只有對(duì)應(yīng)的一組控制器參數(shù)，一旦改變動(dòng)作PID的參數(shù)就必須重新調(diào)試確定，適應(yīng)性較差，效率較低.所以，對(duì)于該不足之處急需有一個(gè)改進(jìn)辦法.因此，本文提出提出模糊PID控制［5］，即將模糊控制與PID相結(jié)合，主要是為了克服PID參數(shù)調(diào)試周期長的不足，將PID參數(shù)的調(diào)試過程用模糊規(guī)則代替，通過模糊規(guī)則能快速推測出控制器參數(shù)，從而使模型快速完成動(dòng)作，縮短了調(diào)試周期提高效率且增強(qiáng)適用性，即便更換動(dòng)作也無需重新調(diào)試，只需對(duì)應(yīng)上相應(yīng)的模糊規(guī)則即可.

圖3 虛擬仿生手關(guān)節(jié)控制結(jié)構(gòu)

4 聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)

虛擬仿生手的聯(lián)合仿真采用Adams和Matlab聯(lián)合實(shí)現(xiàn)，首先用Adams建立模型，然后將該模型與Matlab鏈接，將其作為Matlab/Simulink的一個(gè)成形模塊使用，在Simulink中建立控制系統(tǒng)，將本文的控制算法導(dǎo)入該系統(tǒng)，這樣控制系統(tǒng)與虛擬手模型子模塊就構(gòu)成了聯(lián)合仿真系統(tǒng).圖4為虛擬仿生手聯(lián)合仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖.

圖4 虛擬仿生手聯(lián)合仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

從圖4可以看出，虛擬手模型的輸入是控制器系統(tǒng)的輸出，控制器系統(tǒng)的輸入則是虛擬手模型的輸出.這樣就構(gòu)成一個(gè)完整的閉環(huán)系統(tǒng)，將兩個(gè)軟件結(jié)合構(gòu)成智能假肢仿生模型聯(lián)合仿真系統(tǒng).

智能假肢聯(lián)合仿真系統(tǒng)兩大系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信由Adams/Control模塊實(shí)現(xiàn).并且在數(shù)據(jù)通信的過程中會(huì)自動(dòng)生成3個(gè)子文件，該子文件應(yīng)復(fù)制到模型所在的文件中，這樣模型就能與Matlab形成鏈接，直接輸入Adams_sys即可調(diào)用.本文對(duì)每個(gè)關(guān)節(jié)均進(jìn)行了聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行穩(wěn)定性分析.

本文所研究的虛擬仿生手模型有14個(gè)關(guān)節(jié)，在這里我們只針對(duì)一個(gè)手指的3個(gè)關(guān)節(jié)分析，其他手指可以以此類推.對(duì)一個(gè)手指的3個(gè)關(guān)節(jié)采用模糊PID控制進(jìn)行控制，使其能夠?qū)崿F(xiàn)位置的精確控制.

5 結(jié)論

本文通過聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)研究實(shí)現(xiàn)了虛擬仿生手的簡單手勢動(dòng)作，通過對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，大大提高了效率，為智能假肢實(shí)體的研究提供了科學(xué)依據(jù).

采用虛擬技術(shù)—Adams建立14自由度虛擬仿生手模型，利用具有強(qiáng)大計(jì)算功能的Matlab搭建虛擬仿生手的控制系統(tǒng)，將模糊理論和PID控制器相結(jié)合，解決了PID控制適應(yīng)性差的不足，使虛擬假肢能準(zhǔn)確的完成相應(yīng)的動(dòng)作.同時(shí)，本文聯(lián)合仿真的研究驗(yàn)證了虛擬技術(shù)的可行性，為手勢動(dòng)作的識(shí)別研究提供了新的驗(yàn)證途徑，在以后的研究中可以將手勢動(dòng)作識(shí)別的過程和虛擬仿生手模型相結(jié)合，將人手部動(dòng)作更直觀、更形象實(shí)時(shí)在虛擬環(huán)境中體現(xiàn)出來，為手勢動(dòng)作識(shí)別的進(jìn)一步研究提供技術(shù)依據(jù).

［1］http://www.carm.org.cn/bbs/topic.asp topic_id=2784＆forum_id=24＆cat_id=6.

［2］The i－ limb system［Z］.［2010 －5 －27］.www.touchbionics.com

［3］Cybenko G.Approximation by superposition of a single function［J］.Mathematics of Control，Signals and Systems，1989，35:335 －336.

［4］王 濤，張會(huì)明.基于ADAMS和MATLAB的聯(lián)合仿真控制系統(tǒng)仿真［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2005(5):81－83.

［5］M.Perus.Neuroquantum parallelism in brain mind and computers［J］.Informatica，1996(20):173 －183.