通用伺服转矩监视信号在等速肌力测试系统中的应用
河北大学电子信息工程学院、河北大学附属医院康复科的研究人员肖金壮、赵帅等，在2018年《电工技术学报》增刊1上撰文，为避免等速肌力测试系统需额外动态转矩传感器的问题，研究了一种基于带转矩监视信号的通用伺服装置的实现方法。
在伺服电机速度模式下，利用编码器反馈设计了具有速度闭环的控制器，实现肌力测试过程中的精确等速运动；通过伺服自带的转矩监视信号检测施加到电机转子上的转矩，并转换得到肌力信息。利用Simulink软件和Quanser Q8运动控制器构建了等速肌力测试半实物仿真系统。为验证该方法的可行性，选取5名在校男大学生，分别测量肘关节肌肉群多运动参数，并与现有运动参数进行比较。
结果表明，峰力矩（PT）等指标均在所测指标的波动范围内，说明该系统实现方法在等速肌力测试方面具有实用价值。
等速肌力测试仪在肌力测试方面具有客观、可重复、安全等特点，可反映运动肌肉群的响应状况。等速测试仪在医学、运动科学等方面具有重要的应用价值[1-3]，目前已广泛应用于体育训练、康复训练等领域。
国际上广泛采用的等速测试系统有Cybex600、Biodex2AP、Mcral、Kin-com、Lido-Active、Arid，其中以Cybex系统应用最为广泛。等速测试系统主要分为两部分：一部分是使肢体在预定速度下进行肌肉测试的操作系统；另一部分是记录预定速度下，不同运动范围内某关节对抗肌群的肌肉力量、功率等指标的计算机处理系统，同时记录同名肌力量差，伸、屈肌发挥最大力量时所处关节角度，肌肉力量与体重比等一系列指标，这些数据对于运动训练、康复训练等均具有重要意义。
此类系统通常需要额外转矩传感器对电机转矩进行测量，所测信号可反映肌力信息，同时，该类系统的动力部分通常为电机伺服系统[4-7]。伺服系统是指通过控制策略利用反馈原理，使输出稳定跟随输入的运动控制系统，其动态特性良好，广泛应用于工业、农业、国防等领域[8-10]。
本文利用通用伺服电机自带转矩监视信号这一特性，无需外加转矩传感器[11]，即可实时采集受试者肌力信息。本研究所构建的系统采用半实物仿真技术[12,13]，可便于设计和修改控制器，即若系统指标不满足要求，可在线调整控制器参数，以获取最理想的参数值。
图1 等速测试系统框图
图2 等速肌力测试系统
图6 控制仿真系统
本文针对等速肌力测试系统测量肌力信号需添加额外转矩传感器等问题，提出了一种基于带转矩监视信号的通用伺服电机的等速肌力测试系统构建方案，并通过半实物仿真方法对系统可行性进行验证，得到具有如下特点的系统：
1）使用带转矩监视信号的电机伺服装置构建等速肌力测试系统，无需使用额外转矩传感器便可测量测试者的肌力信号。
2）在Simulink软件环境中通过构建仿真模型，实现对伺服电机的高精度速度控制，从而实现等速的目标。控制器构建方法简易、直观。控制器参数可实时调整，控制效果观察方便，有利于系统调试与参数确定。
3）采用对比实验，将测试结果与已有结果比较，证明了本文测试仪的可行性。
本文构建的无转矩传感器等速肌力测试系统，给相关的系统实现提供了一个具有友好编程界面和调试环境的平台，同时对类似系统的构建也有重要的参考价值。