在伺服電機(jī)速度模式下，利用編碼器反饋設(shè)計(jì)了具有速度閉環(huán)的控制器，實(shí)現(xiàn)肌力測試過程中的精確等速運(yùn)動；通過伺服自帶的轉(zhuǎn)矩監(jiān)視信號檢測施加到電機(jī)轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩，并轉(zhuǎn)換得到肌力信息。利用Simulink軟件和Quanser Q8運(yùn)動控制器構(gòu)建了等速肌力測試半實(shí)物仿真系統(tǒng)。為驗(yàn)證該方法的可行性，選取5名在校男大學(xué)生，分別測量肘關(guān)節(jié)肌肉群多運(yùn)動參數(shù)，并與現(xiàn)有運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行比較。
結(jié)果表明，峰力矩（PT）等指標(biāo)均在所測指標(biāo)的波動范圍內(nèi)，說明該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法在等速肌力測試方面具有實(shí)用價值。
等速肌力測試儀在肌力測試方面具有客觀、可重復(fù)、安全等特點(diǎn)，可反映運(yùn)動肌肉群的響應(yīng)狀況。等速測試儀在醫(yī)學(xué)、運(yùn)動科學(xué)等方面具有重要的應(yīng)用價值[1-3]，目前已廣泛應(yīng)用于體育訓(xùn)練、康復(fù)訓(xùn)練等領(lǐng)域。
國際上廣泛采用的等速測試系統(tǒng)有Cybex600、Biodex2AP、Mcral、Kin-com、Lido-Active、Arid，其中以Cybex系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛。等速測試系統(tǒng)主要分為兩部分：一部分是使肢體在預(yù)定速度下進(jìn)行肌肉測試的操作系統(tǒng)；另一部分是記錄預(yù)定速度下，不同運(yùn)動范圍內(nèi)某關(guān)節(jié)對抗肌群的肌肉力量、功率等指標(biāo)的計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，同時記錄同名肌力量差，伸、屈肌發(fā)揮最大力量時所處關(guān)節(jié)角度，肌肉力量與體重比等一系列指標(biāo)，這些數(shù)據(jù)對于運(yùn)動訓(xùn)練、康復(fù)訓(xùn)練等均具有重要意義。
此類系統(tǒng)通常需要額外轉(zhuǎn)矩傳感器對電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行測量，所測信號可反映肌力信息，同時，該類系統(tǒng)的動力部分通常為電機(jī)伺服系統(tǒng)[4-7]。伺服系統(tǒng)是指通過控制策略利用反饋原理，使輸出穩(wěn)定跟隨輸入的運(yùn)動控制系統(tǒng)，其動態(tài)特性良好，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防等領(lǐng)域[8-10]。
本文利用通用伺服電機(jī)自帶轉(zhuǎn)矩監(jiān)視信號這一特性，無需外加轉(zhuǎn)矩傳感器[11]，即可實(shí)時采集受試者肌力信息。本研究所構(gòu)建的系統(tǒng)采用半實(shí)物仿真技術(shù)[12,13]，可便于設(shè)計(jì)和修改控制器，即若系統(tǒng)指標(biāo)不滿足要求，可在線調(diào)整控制器參數(shù)，以獲取最理想的參數(shù)值。
圖1 等速測試系統(tǒng)框圖
圖2 等速肌力測試系統(tǒng)
圖6 控制仿真系統(tǒng)
結(jié)論
本文針對等速肌力測試系統(tǒng)測量肌力信號需添加額外轉(zhuǎn)矩傳感器等問題，提出了一種基于帶轉(zhuǎn)矩監(jiān)視信號的通用伺服電機(jī)的等速肌力測試系統(tǒng)構(gòu)建方案，并通過半實(shí)物仿真方法對系統(tǒng)可行性進(jìn)行驗(yàn)證，得到具有如下特點(diǎn)的系統(tǒng)：
1）使用帶轉(zhuǎn)矩監(jiān)視信號的電機(jī)伺服裝置構(gòu)建等速肌力測試系統(tǒng)，無需使用額外轉(zhuǎn)矩傳感器便可測量測試者的肌力信號。
2）在Simulink軟件環(huán)境中通過構(gòu)建仿真模型，實(shí)現(xiàn)對伺服電機(jī)的高精度速度控制，從而實(shí)現(xiàn)等速的目標(biāo)?？刂破鳂?gòu)建方法簡易、直觀?？刂破鲄?shù)可實(shí)時調(diào)整，控制效果觀察方便，有利于系統(tǒng)調(diào)試與參數(shù)確定。
3）采用對比實(shí)驗(yàn)，將測試結(jié)果與已有結(jié)果比較，證明了本文測試儀的可行性。
本文構(gòu)建的無轉(zhuǎn)矩傳感器等速肌力測試系統(tǒng)，給相關(guān)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)提供了一個具有友好編程界面和調(diào)試環(huán)境的平臺，同時對類似系統(tǒng)的構(gòu)建也有重要的參考價值。
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