Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Проектирование экзоскелета. Монография
.pdf
71
скорости восприятия датчиками управляющего сигнала, чем в нашем
случае приоритетным будет съем мышечной активности
пользователя.
Работая пополам с нервной системой человека, мы получим
минимальную задержку в оброке сигнала и ряд дополнительных
преимуществ, к которым вернемся немножко позже.
В 1907 немецкий ученый Г. Пипер (нем.) Рос. (Von Piper, H, B. 1
877, Elektrophysiologie menschlicher Muskeln, von H. Piper. Berlin,
J.Springer, 1912 ) впервые применил метод электромиографии по
отношению к человеку.
Исследование проводится с помощью электромиографа,
имеющего специальный вход для регистрации ЭМГ.
Электромиограма (ЭМГ) - кривая, записанная на фотопленке, на
бумаге или на магнитных носителях.
Амплитуда колебаний потенциала мышцы обычно не
превышает нескольких милливольт, а их длительность - 20-25 мс.
При этом следует понимать размещение мышц человека и их
функции.
С помощью введенных в мышцу игольчатых электродов.
Улавливают колебания потенциала в отдельных мышечных волокнах
или в группе мышечных волокон, иннервируемых одним
мотонейроном.
С помощью накожных электродов считывается процесс
возбуждения мышц.
Стимуляционная электромиография ‒ электромиография при
искусственной стимуляции нерва или органов чувств. Это позволяет
исследовать нервно-мышечную передачу, рефлекторную
деятельность, определить скорость проведения возбуждения по
нерву.
Область применения электромиографических датчиков:
• В психофизиологии для изучения возрастных
закономерностей.
• В физиологии труда и спорта.
72
• При изучении двигательной функции животных и человека.
• В исследованиях высшей нервной деятельности.
• В инженерной психологии (например, при исследовании
утомления, выработки двигательного опыта).
• Для оценки при восстановлении нарушенной двигательной
функции в ортопедии и протезировании.
Методик электромиографии часто относят так называемую
«Глобальную ЭМГ», регистрируемой поверхностными электродами,
установленными на мышцы пациента. Однако, ее использование
часто приводит к неверным диагнозам, ввиду влияния на результаты
такого исследования большого количества субъективных факторов:
- Желание пациента напрягать мышцу
- Наличие у пациента других заболеваний (состояний)
- Расстояние между электродами
- Направление электродов относительно мышечных волокон
- Сопротивление под электродами
- Точность установки электродов относительно мышцы
- Влияние сокращения других мышц данной группы
Итак, разобравшись с возможностями данного оборудования,
следует выделить участки мышц по которым в дальнейшем будут
установлены датчики. Иначе говоря, одним из вариантов управления
будет управления сигналом, полученным непосредственно с
мышечной участка, выполняющего аналогичные функции в
противопоставленного ей антропоморфного механизма.
Готовым решение поставленной задачи может стать
специальный костюм ‒ костюм Athos ‒ это обтягивающие
компрессионные кофта и шорты, растягиваются и удобные, с плоским
швом. Эти вещи аккуратно стягивают тело, не препятствуют
движению, снижают усталость и боль в мышцах. В то же время
материал впитывает влагу, так что кожа остается сухой.
Прямо в костюм встроены электромиографически датчики,
которые отслеживают активность определенных мышц и не требуют
замены со временем.
73
Всего в кофте встроено 14 электромиографических датчиков, в
шортах ‒ 8. Еще в кофте есть два сенсора сердечного ритма (в шортах
- 4 таких датчика) и два датчика дыхания.
Итак, сенсоры собирают информацию о состоянии вашего
организма, а «ядро» ‒ легкий ударопрочный процессор, который
закрепляется на одежде, собирает эти сигналы, анализирует их и
передает по Bluetooth например на ваш мобильный телефон или
компьютер.
Тренировки с Athos станут более полезными и эффективными.
Вы знаете, какие мышцы напряжены и на сколько процентов, а какие
находятся в расслабленном состоянии, насколько ускорен ваш
сердечный ритм и дыхание.
Аthos показывает усилие мышц в процентах, наращивание
мышечной массы или тонизирование мышц, степень усталости
мышц.
Костюм Athos будет полезен и для занятий йогой. Часто в
описании осанки указывают, какие группы мышц должны быть
напряжены. Используя Athos, вы сможете проверить, правильно ли
вы выполняете ту или иную асану.
После тренировки можно забросить костюм в стиральную
машинку. Он не боится автоматической стирки при температуре 40 °С.
и, конечно же, оценить свой прогресс. В приложении сохраняются
данные о прошлых тренировках, так что вы можете следить за своим
развитием.
Остается вопрос, какую именно информацию и насколько
точную информацию предоставляют сенсоры этого костюма, так как
есть большая вероятность, что несмотря на хорошую рекламу от
производителя, система костюма работает с узким потоком данных,
например одно значение в секунду, что в целом дает возможность
давать информацию о разного рода активности пользователя и его
мышц однако никак не сможет выступить как средство контроля.
Это все не лишено проблем. В исследовательских целях на
сегодняшний день электромиографические датчики имеют
74
невероятный потенциал, однако не следует забывать о самой
природе этого датчика. В процессе эксплуатации значительным
вопросом составит фильтрация шумов и сложная алгоритмизация
действий, что в разных обстоятельствах при самой работе датчика.
Также применение именно этих датчиков лишит возможности
пользоваться экзоскелетом людей которые ноги потеряли совсем или
в которых связь между ногами и спинным мозгом расторгнут. Поэтому
после анализа возможных вариантов эксплуатации системы и
способов контроля за ними, было принято решение сделать
относительно простую, но очень надежную систему контроля, а
именно предоставить пользователю специальные костыли с
кнопками контроля на ручках, которые бы были запрограммированы
на конкретные алгоритмы действий.
Это своего рода напоминало бы игровой интерфейс, на котором
присутствуют джойстики и кнопки, комбинации использования
которых, как и в играх давали бы пользователю выполнить
определенное действие. К тому же это лишило бы проблемы с
самосбалансированием системы, так как костыли в паре с
механическими ногами составляли бы уже совершенно устойчивую
опору.
При дальнейших разработках, также как вариант контроля мог
бы быть применен нейрокомпъютерный интерфейс, однако на
сегодняшний день все попытки реализовать такой контроль пока не
давали стабильных результатов в каких бы такая система контроля
работала бы без сбоев при любых обстоятельствах.
4.2.3. Разработка систем управления
Для реализации проекта было принято решение использовать
шаговые двигатели потому как они относительно компактные, легкие,
доступны в цене и имеют легкое, удобное и стабильное управление.
Поэтому сейчас разберемся как они работают и как реализуется
контроль ними. При этом рассматривается возможность соединения
75
шагового двигателя со стандартным червячным редуктором, что в
свою очередь даст на первый взгляд сокращение ряда нестандартных
деталей и элементов, однако повлечет за собой рост веса и
усложнения системы торможения и удержания, так как эта система
будет вынуждена удерживать крутящий момент больший кратный на
величину коэффициента преобразования редуктору, а не момент на
валу двигателя.
Конечно, может существовать мнение, что стоило бы
разработать для поставленной задачи собственный драйвер
контроля, однако через описанные в дальнейшем причины,
очевидным является то, что для обеспечения стабильной и четкой
работы привода не следует пытаться что-то упростить в данном
аспекте. Поэтому драйверы контролю будут выбраны из числа
стандартных, в соответствии с двигателем. Для наглядности
представим несколько схем подключения, приведенных
производителями распространенных драйверов управления
шаговыми двигателями
Для каждого конкретного драйвера точную информацию о
подключении можно найти в общедоступной документации на
изделие, исходя из опыта, часто даже в официальной документации
производителями некоторые параметры часто упускаются.
При работе с Arduino управление приводом сводится к
использованию стандартной библиотеки Arduino – Stepper.
При разной мощности приводов и сложности поставленных
перед ними задач могут использоваться различные драйверы
управления для приводов, однако управляющая программа остаются
без изменений.
На управляющий контакт DIR нужно подавать HIGH или LOW -- в
зависимости от этого - шаговый двигатель будет вращаться в одну или
другую сторону. Так что, для тестирования - его можно просто
подключить к GND или 5V разъемов платы.
Управляющий сигнал контроллеру имеет пульсирующий
характер и находится в двух логических состояниях преимущественно
76
5В и 0В. Простейшим образцом управляющей программы на Arduino
будет следующий скетч:
int pul = 13;
int dir = 12; void setup() { pinMode(pul, OUTPUT); pinMode(dir,
OUTPUT); digitalWrite(dir, HIGH);
} void loop() { digitalWrite(pul, HIGH); delay(10); digitalWrite(pul,
LOW); delay(10); }
4.2.4. Шаговые двигатели. Особенности работы шаговых
двигателей
Работая с шаговыми двигателями важно понимать, что вообще
собой представляют эти двигатели и особенности их использования,
поэтому уделим немного внимания к разбору данного вопроса.
В идеальном двигателе нет трения, его момент пропорционален
ампервиткам обмоток и единственной электрической
характеристикой является индуктивность. Индуктивность L
характеризует способность обмотки запасать энергию в магнитном
поле. Индуктивности имеют свойство индуктивного сопротивления,
то есть сопротивления переменному току, который тем больше, чем
быстрее меняется ток, а значит, индуктивное сопротивление
возрастает вместе со скоростью вращения двигателя. Согласно закону
Ома, ток прямо пропорционален напряжению и обратно
пропорционален полному сопротивлению, откуда следует, что ток
обмотки уменьшается при увеличении скорости вращения.
Поскольку момент пропорционален ампер-виткам, а ток обратно
пропорционален скорости, то момент также будет обратно
пропорционален скорости. То есть при нулевой скорости момент
стремится к бесконечности, при увеличении скорости момент (и ток)
начинает стремиться к нулю.
Электрически, реальный двигатель отличается от идеального в
основном ненулевым сопротивлением обмотки, а также
ферромагнитными составляющими, которым свойственно
77
насыщаться магнитным полем, что приводит к гистерезисным
потерям и потерям на вихревые токи. Насыщение ограничивает
момент, а вихревые токи и гистерезисного потери вызывают нагрев
двигателя. Рассмотрим кривую зависимости крутящего момента
шагового двигателя от скорости.
Как видно из графика, при скорости ниже определенного
предела, момент, а следовательно, и ток, растут очень быстро, вплоть
до уровней, приводящих к повреждению мотора. Чтобы этого
избежать, драйвер должен ограничивать нарастание тока до
определенной величины. Поскольку момент пропорционален току,
момент будет постоянный начиная с момента удержания до
порогового значения скорости, а при скорости выше порога ‒ ток
будет ограничен индуктивностью обмоток будет начинаться с
отрезка, где момент постоянный, до точки, когда мотор перестанет
генерировать и потреблять реактивную мощность. Реальный
шаговый двигатель имеет потери, которые изменяют идеальную
скорость-моментную характеристику. Особенно большой вклад
момента от зубцовых гармоник магнитного поля (его иногда
указывают в документации на двигатель). Потери в двигателе есть
всегда, и чем быстрее вращается вал шагового мотора, тем большие
потери, и их также необходимо отсчитывать с идеальной
характеристики.
Обратите внимание, как реальная мощность падает вместе с
ростом скорости, в том числе и на отрезке "постоянной мощности".
Скругления на переходной точке обусловлено переходным
процессом в цепи ‒ драйвер постепенно превращается из источника
тока в источник напряжения.
Шаговый двигатель сильно подвержен резонансу, будучи по
факту аналогом маятника "подвешенный на пружине груз", где грузом
является ротор, а пружиной ‒ магнитное поле, и имеет частоту
собственных колебаний, что зависит от силы тока и инерции ротора.
В момент, когда разность фаз момента и скорости достигает величины
180 град. возникает резонанс - изменение магнитного поля начинает
78
совпадать со скоростью, и скорость ротора при позиционировании на
новый шаг становится слишком велика. При резонансе значительная
часть энергии магнитного поля идет на преодоление инерции ротора
при колебании около положения равновесия, что выражается в
значительном падении крутящего момента на валу. Накопленная
кинетическая энергия ротора расходуется при возникновении
резонанса примерно за 1-10 сек., поэтому разогнать двигатель можно,
пройдя зону резонанса без последствий, но работать сколько-нибудь
продолжительное время не удастся - вал остановится. Для устранения
этого явления в драйверах используются различные
антирезонансные алгоритмы.
Выходная мощность двигателя (скорость × момент)
пропорциональна напряжению, деленному на квадратный корень из
индуктивности. Если мы увеличим вдвое напряжение ШИМ, то
получим другую кривую СМВ, что лежит выше, и мощность на участке
постоянной мощности возрастет вдвое. С потоком другая картина.
Рисунок ниже показывает, что будет при выставлении на драйвере
тока в 2 раза больше номинального для двигателя. Мотор начинает
выделять в 4 раза больше тепла, а момент на низких оборотах
увеличивается менее чем в 2 раза из-за насыщения сердечников
обмоток.
Как можно видеть, мощность не увеличивается совсем. Всегда
рекомендуется выставлять ток на драйвере равным номинальному
значению для двигателя. Это в том числе снизит вибрации на низких
частотах, улучшит характеристики хода в микрошаговом режиме.
Мощность шагового двигателя не постоянная, она достаточно
велика в момент удержания, несколько возрастает со скоростью до
определенного момента ("точки прорыва"), после чего начинает
постепенно снижаться с увеличением ферромагнитных потерь.
Крутящий момент с увеличением скорости резко падает, причем
график падения условно-приближенно можно считать линейным.
Для подбора привода придется воспользоваться эмпирическими
приближениями.
79
Чтобы выбрать похожий по мощности привод на шаговых
двигателях, начинают с определения момента, который должен
выдавать мотор и нужной скорости вращения. Допустим, от привода
нужен момент Md = 10 Нм на скорости n = 200 об/мин. Для расчета
мощности двигателя P используем приближенную формулу:
Это приближение позволяет на практике оценивать мощность
двигателя прямо из графика скорость - моментной характеристики
мотора. Как правило же, мощность и скорость вращения активного
окна и асинхронного двигателя известна, и можно выполнить
обратную операцию - получить момент с обратной формулы:
где z - число полных шагов на оборот, f - частота шагов в Гц, а
затем по
моменту и скорости вращения подобрать двигатель, опираясь
на документацию и кривую момента.
4.3. Шумность и ее устранение на примере автомобиля
4.3.1. Источники звука
Как известно, воспринимаются в салоне автомобиля шумы могут
быть двух видов:
* первичные, провоцируемые автономными источниками. К
таким, кроме проезжающих мимо автомобилей, завихрений воздуха,
набегающего, в первую очередь относятся мотор и элементы
трансмиссии;
80
• вторичные. Звуковые волны, исходящие от источников шума,
проходят через материалы, изолирующие салон автомобиля:
металлические части кузова (моторный щит, «тоннель», колесную
арку и т. д.), Компоненты управления автомобилем, а также
пластиковые элементы отделочных и приборной панели. Все они
резонируют, создавая структурный шум. Это способствует не только
передаче первичных шумов, но и провоцирует собственные
вибрационные колебания (больше всего в местах соединения
перечисленных деталей).
Именно поэтому шумоизоляция моторного отсека ‒ едва ли не
первый пункт, с которого начинается качественная звукоизоляция
автомобиля. Разумеется, сам двигатель или трансмиссию обклеить
шумоизоляционными материалами мы не можем. Обработке
подвергаются:
* моторный щит с внутренней и внешней стороны (перегородка,
разделяющая салон авто и подкапотное отделение);
• внутренняя полость приборной панели;
• капот;
• салонная часть колесных арок, боковые панели;
• «туннель», вблизи которого проходит выхлопная система, а на
авто с задним или полным приводом еще и карданная передача.
4.3.2. Материалы для обесшумливания
Шумоизоляция двигателя автомобиля осуществляется тремя
классами материалов.
* вибродемпфирующие-состав на основе битума и вспененного
каучука. Имеет вязкоупругую структуру и служит для преобразования
механических колебаний в тепловую энергию. На практике плотное
прилегание материала позволяет гасить резонансные колебания
металлических и пластиковых элементов. Вибропоглотитель
формирует базовый слой. Наиболее эффективен при изоляции
тонкостенных металлических поверхностей (до 3 мм).
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]