面向手部震颤患者的进食器具控制系统设计

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帕金森病和特发性震颤是十分常见的运动障碍疾病,它们的共同特点是患者手部会出现震颤症状,频率通常在3.5-7.5Hz之间。据统计,我国65岁以上的老人患帕金森病的概率是1.7%,目前我国已有人数超过300万的帕金森患者。手部震颤使患者无法完成进食等日常行为,加重了社会的人力和经济负担。因此,针对手部震颤患者研发的智能医疗辅助设备逐渐受到患者及其家庭的青睐。据此,本文以辅助患者进食的智能防抖勺为研究对象,深入分析了防抖勺的动力学模型,重点研究了齿隙非线性的补偿方法,以防抖控制为核心目的,开展了控制系统的设计工作。防抖勺为了实现低转速、高转矩输出,以微型直流有刷电机带齿轮箱作为执行机构。本文选择死区模型作为齿隙非线性模型,采用惯量法对防抖勺进行动力学建模并建立了状态空间方程。根据防抖勺在持续手抖干扰、负载不断跃变的情况下要保持勺面与食物相对静止的需求,本文提出了外环控制加速度、内环控制位置的系统框架。内环采用反步法推导控制律,以实现对齿隙非线性的补偿和位置跟踪的快速响应。通过与PI控制算法的对比仿真实验,验证了反步积分控制下系统响应速度更快、位置跟踪精度更高、传递转矩更平稳的优越性能。外环采用自适应模糊PI算法实现防抖控制,通过仿真实验,本文设计的算法可抵消勺头约85%的抖动,防抖效果较好。本文在防抖勺样机上开展了所设计控制算法的物理实现与验证工作,利用可设置频率的振动台模拟手部震颤。通过大量实验不断调试控制参数,最终防抖勺样机可抵消约75%的震颤,取得了良好的防抖效果。
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