本發(fā)明設(shè)計(jì)一種手部康復(fù)外骨骼機(jī)器人，具體表現(xiàn)為輔助手部運(yùn)動(dòng)障礙患者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)全周期康復(fù)，屬于機(jī)器人領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、人手是人類進(jìn)行各類運(yùn)動(dòng)的主要效應(yīng)器官，在人類日常生活中起著不可或缺的作用，研究表明，相對(duì)于其他靈長類動(dòng)物，人手具有更高的靈活性。手在人日常活動(dòng)中至關(guān)重要，而某些突發(fā)疾病或意外傷害導(dǎo)致人手功能不同程度的喪失，比如風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、腦卒中(俗稱中風(fēng))，不僅給患者的生活和工作帶來不便，對(duì)患者造成生理和心理上的傷害。幸運(yùn)的是，人類運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)能夠通過高強(qiáng)度和重復(fù)的康復(fù)訓(xùn)練恢復(fù)損傷的功能,為了讓腦卒中患者更好地回歸社會(huì)和家庭，系統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練尤為重要，將直接決定患者可能的康復(fù)程度。手部外骨骼可以輔助老年人和運(yùn)動(dòng)功能障礙患者進(jìn)行日常物品的抓取，也可以進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，防止肌肉萎縮，恢復(fù)患肢運(yùn)動(dòng)能力。該款外骨骼是一種可以通過剛性結(jié)構(gòu)并聯(lián)在人的手上，依靠合理的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)以及控制算法，為患者提供更加高效且安全可靠的康復(fù)體驗(yàn)的智能康復(fù)機(jī)器人。

2、傳統(tǒng)的手部外骨骼尚存在諸多的不足，如不能保證關(guān)節(jié)瞬心對(duì)齊，容易對(duì)患者造成傷害，體感不好；系統(tǒng)傳動(dòng)不夠精確；不能適應(yīng)不同人的尺寸，同時(shí)沒有結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過程。大多缺乏生物信號(hào)的傳感器，沒有實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的人機(jī)交互性以及人體與機(jī)器人的相容性。

3、在專利號(hào)cn103315880b的發(fā)明專利中，公開了一種基于記憶合金驅(qū)動(dòng)的手部外骨骼康復(fù)系統(tǒng)。本發(fā)明以五根形狀記憶合金彈簧為驅(qū)動(dòng)裝置，獨(dú)立驅(qū)動(dòng)五個(gè)手指運(yùn)動(dòng)，采用四連桿機(jī)構(gòu)作為外骨骼的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，需要外骨骼的各個(gè)自由度和人手的各個(gè)關(guān)節(jié)的自由度高度匹配，否則容易引發(fā)安全事故，體感不佳，容易造成二次傷害。

4、在專利號(hào)cn109276408a的發(fā)明專利中，公開了一種上肢手外骨骼康復(fù)機(jī)器人，裝置通過讓患者觀看虛擬現(xiàn)實(shí)影像，基于腦電獲取用戶的運(yùn)動(dòng)意圖，然后使用外骨骼驅(qū)動(dòng)人手完成虛擬現(xiàn)實(shí)任務(wù)。該外骨骼手套設(shè)置簡單，沒有融合測量手部人機(jī)接觸力和關(guān)節(jié)角度的傳感器；使用五個(gè)舵機(jī)纏繞鋼絲繩，拉動(dòng)五根手指的手指運(yùn)動(dòng)，控制過程較為繁瑣；此外，通過腦電來獲取用戶的運(yùn)動(dòng)意圖，有較大的延遲，控制的實(shí)時(shí)性不佳。

5、在專利號(hào)cn209092054u的發(fā)明專利中，公開了一種基于拉線驅(qū)動(dòng)與鏡像同步模擬的可自主康復(fù)訓(xùn)練的手部外骨骼。該系統(tǒng)由主動(dòng)手外骨骼與鏡像手外骨骼組成，整體結(jié)構(gòu)由軟骨式彈性材料與小型電機(jī)組、控制電路、測量電路、彎曲形變傳感器以及無線模塊構(gòu)成。手掌側(cè)使用五個(gè)電機(jī)組成的電機(jī)組拉動(dòng)繩子，使得手彎曲；手背側(cè)使用五個(gè)彈簧被動(dòng)的拉動(dòng)繩子，使得手伸展；控制過程較為復(fù)雜；其次繩子在手上的繞線方式簡單，容易導(dǎo)致力分布不均衡；最后，使用鏡像手的傳感器信息獲取用戶的運(yùn)動(dòng)意圖，使得過程復(fù)雜，完全可以在同一只手臂上完成整個(gè)操作過程。

6、因此針對(duì)現(xiàn)有手部外骨骼存在的問題，有必要設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)上能夠?qū)崿F(xiàn)個(gè)體差異化自適應(yīng)，機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊舒適；感知上實(shí)現(xiàn)生機(jī)電多源融合，無力傳感器的力反饋；腦肌電融合控制的系統(tǒng)，增強(qiáng)人手的運(yùn)動(dòng)功能，加快手功能的恢復(fù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種欠驅(qū)動(dòng)、輕巧柔軟、實(shí)現(xiàn)個(gè)體差異化自適應(yīng)、生機(jī)電多源融合、無力傳感器的力反饋、阻抗控制的手部康復(fù)外骨骼機(jī)器人。

2、本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)上述目的，一種輔助中風(fēng)患者康復(fù)的手部外骨骼機(jī)器人，包括欠驅(qū)動(dòng)的多連桿耦合機(jī)構(gòu)，為了改善用戶的體感，以剛性連桿為基礎(chǔ)，很好的適應(yīng)了不同人手的尺寸。通過人手的結(jié)構(gòu)特征和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)外骨骼的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。人手的mcp(掌指關(guān)節(jié))和p?ip(近端指間關(guān)節(jié))是沒有確定的耦合關(guān)系的，不同人的手指mcp和d?ip(遠(yuǎn)端指間關(guān)節(jié))的角度關(guān)系都不同，但d?ip和pip關(guān)節(jié)在一定工作區(qū)間內(nèi)保持著的角度關(guān)系，因此想要用一個(gè)推桿實(shí)現(xiàn)欠驅(qū)動(dòng)，得讓連桿進(jìn)行耦合運(yùn)動(dòng)。第一個(gè)關(guān)節(jié)上利用既定軌跡進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，由于角平分線定理，因此在一個(gè)圓弧軌跡上運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過添加一個(gè)滑塊自由度，可以使得人手關(guān)節(jié)與外骨骼瞬心保持一致，保持人手的舒適性，同時(shí)多出的自由度可以通過調(diào)節(jié)初始位置的滑塊位置，使得外骨骼可以適應(yīng)不同的人手指的差異性，同時(shí)保持瞬心一致。第二個(gè)關(guān)節(jié)和第三個(gè)關(guān)節(jié)則是通過多連桿耦合機(jī)構(gòu)連接，將人手指的不同指節(jié)視為多連桿中的連桿，多連桿耦合機(jī)構(gòu)由中端四連桿和遠(yuǎn)端四連桿組合而成，分別決定mcp和pip關(guān)節(jié)的角度。具有三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)且夾角固定的彎曲連桿同時(shí)屬于中端四連桿機(jī)構(gòu)和遠(yuǎn)端四連桿機(jī)構(gòu)。隨著電機(jī)行程長度的增加，中端四連桿機(jī)構(gòu)的位置發(fā)生變化，中端四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)影響到遠(yuǎn)端四連桿機(jī)構(gòu)的位置。由于結(jié)合了兩個(gè)四桿連桿和彎曲連桿，電機(jī)行程的運(yùn)動(dòng)同時(shí)控制了mcp和p?ip關(guān)節(jié)的角度。由于是多連桿機(jī)構(gòu)，以及手指指節(jié)作為連桿，因此關(guān)節(jié)中心也就作為連桿機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)副，可以保持外骨骼和人手關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)瞬心保持一致。通過自鎖螺母以及彈簧導(dǎo)柱，可以調(diào)節(jié)外骨骼的初始位置，以適應(yīng)不同人手指的尺寸。

3、進(jìn)一步的，對(duì)設(shè)計(jì)好的外骨骼進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使其更滿足人體手指的自然屈伸過程，通過數(shù)學(xué)建模優(yōu)化p?ip和d?ip關(guān)節(jié)的角度耦合，確定優(yōu)化后的尺寸。同時(shí)，對(duì)于近端指節(jié)，由于連桿在工作時(shí)容易干涉，因此以不干涉為目的對(duì)近端連桿的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在完整的工作空間內(nèi)不會(huì)干涉。根據(jù)康復(fù)階段手指的力，選取壓縮彈簧的合適剛度，設(shè)計(jì)sea串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)外骨骼伸展與彎曲運(yùn)動(dòng)的雙向柔順驅(qū)動(dòng)。每根手指由一個(gè)直線推桿驅(qū)動(dòng)，直線推桿與sea串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器連接，通過兩根壓縮彈簧串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)雙向的柔順驅(qū)動(dòng)。

4、進(jìn)一步的，采用了多傳感融合的感知系統(tǒng)，由指尖末端傳感器、旋轉(zhuǎn)電位器、肌電手環(huán)、腦電傳感器和基于sea串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)傳感器實(shí)現(xiàn)力傳感組成。各關(guān)節(jié)處采用角度傳感器，跟蹤記錄關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡，讀取關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)角度變化，由于調(diào)整穿戴部件后，連桿機(jī)構(gòu)的連桿長度會(huì)發(fā)生變化，因此初始位置的角度也不同，通過運(yùn)動(dòng)學(xué)反解得出初始位置的角度，并根據(jù)不同人差異化實(shí)時(shí)調(diào)整推桿工作范圍。對(duì)sea串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器的彈簧進(jìn)行剛度標(biāo)定，直動(dòng)推桿輸出端裝有通過sea串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器的彈簧壓縮量采集拉壓力，實(shí)現(xiàn)無力傳感器的力反饋，減少了傳感器的數(shù)目，減小了外骨骼的整體尺寸以及質(zhì)量。

5、進(jìn)一步的，采用了基于sea串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器的無力傳感器的力反饋，其中a,b為常數(shù)，由機(jī)械結(jié)構(gòu)決定，θ由角度電位器測得，l1由電推桿編碼器測得，由幾何關(guān)系：

6、

7、彈簧的初始長度已知，因此可求得彈簧形變量，進(jìn)而求得彈簧彈力。彈簧彈力則反映了抓握力的大小。通過肌電手環(huán)，如圖16所示，采集肌電信號(hào)，對(duì)肌電信號(hào)使用前置放大電路，同時(shí)進(jìn)行低通濾波，并對(duì)放大后的肌電信號(hào)進(jìn)行全波整流，將處理的數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)。指尖末端加入了微型振動(dòng)傳感器，通過腦電傳感器采集人體腦電信號(hào)，如圖17所示，提取專注度信息，對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行放大以及濾波，將處理好的數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)對(duì)外骨骼進(jìn)行控制。本部分采集各個(gè)傳感器的信號(hào)并與控制算法結(jié)合控制外骨骼運(yùn)動(dòng)。此外，使用振動(dòng)進(jìn)行抓握力反饋不僅可以讓患者掌握實(shí)時(shí)的抓握狀態(tài)，還有利于提醒患者集中注意力，提高抓握意愿，間接使腦電信號(hào)和肌電信號(hào)發(fā)生變化，并增強(qiáng)抓握控制信號(hào)，能夠有效改善訓(xùn)練效果，實(shí)現(xiàn)外骨骼對(duì)人以及人對(duì)外骨骼的雙向反饋。

8、進(jìn)一步的，手部外骨骼機(jī)器人的控制需要保證高度的安全性，傳統(tǒng)的位置控制在遇到碰撞、阻塞等外部干擾的情況下，很難控制接觸力在安全的范圍內(nèi)，可能導(dǎo)致人員受傷或機(jī)械損壞。為此，本設(shè)計(jì)研究了未知的動(dòng)力學(xué)模型、外部干擾、摩擦力和各種物理約束條件下外骨骼的軌跡跟蹤控制。為了保證未知變量的準(zhǔn)確估計(jì)，同時(shí)提高跟蹤性能，提出了一種全驅(qū)動(dòng)(fas)復(fù)合控制策略。該算法能夠減少外部干擾帶來的影響，使機(jī)器人對(duì)外部作用力產(chǎn)生自適應(yīng)的反應(yīng)，從而保護(hù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)并確保佩戴者的安全。該控制將高階擾動(dòng)觀測器內(nèi)環(huán)和fas軌跡跟蹤控制器外環(huán)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)。具體來說，高階擾動(dòng)觀測器用來處理不確定的動(dòng)力學(xué)和外部干擾。此外，采用基于梯度的最優(yōu)參數(shù)整定方法對(duì)控制器增益進(jìn)行了優(yōu)化。阻抗控制的特點(diǎn)是具有剛性、精確的響應(yīng)特性，基于位置或運(yùn)動(dòng)的控制，來調(diào)節(jié)機(jī)器人的力。適用于需要對(duì)外部環(huán)境施加精確力或位置控制的場景。阻抗控制需要的數(shù)據(jù)包括參考關(guān)節(jié)角度，當(dāng)前關(guān)節(jié)角度，抓握力，以及阻抗參數(shù)。其中參考關(guān)節(jié)角度由肌電信號(hào)決定；當(dāng)前關(guān)節(jié)角度由角度電位器測量；抓握力由電推桿編碼器和角度電位器計(jì)算彈簧形變量從而間接得到。阻抗參數(shù)由腦電信號(hào)設(shè)定?？刂屏鞒倘鐖D13所示。

9、系統(tǒng)識(shí)別公式如下：

10、

11、其中，fi表示f的第i個(gè)元素，fci和fvi分別表示庫倫摩擦系數(shù)和粘性摩擦系數(shù)，bi表示偏置項(xiàng)。

12、高階擾動(dòng)觀測器的設(shè)計(jì)公式如下：

13、

14、其中，表示τd(i―1)的估計(jì)值，τ≈(i―1)d為估計(jì)誤差。當(dāng)i＝1時(shí)，τd為τd的估計(jì)值。

15、fas復(fù)合控制器的控制率公式如下：

16、

17、其中，選擇增益k0和k1保證閉環(huán)穩(wěn)定，則通過適當(dāng)調(diào)整控制增益可以使跟蹤誤差任意小。

18、參數(shù)化設(shè)計(jì)公式如下：

19、a(k0～1)＝vfv―1,detv≠0

20、梯度優(yōu)化算法公式如下：

21、

22、阻抗控制的公式如下：

23、

24、式中fe為抓握力，由彈簧形變量間接獲得；θr為參考角度，由肌電信號(hào)處理獲得；θ為目標(biāo)角度，由計(jì)算得出。其中θ由位置環(huán)保證，當(dāng)fe＝0時(shí)，θ＝θr，目標(biāo)角度與參考角度重合，其效果與位置控制相同，當(dāng)fe≠0時(shí)，目標(biāo)角度隨外力移動(dòng)而偏離參考位置，從而起到精確控制的目的。kd,bd為阻抗參數(shù)，分別影響系統(tǒng)的剛度，阻尼，調(diào)整阻抗參數(shù)可改變系統(tǒng)剛度。初始的阻抗參數(shù)由試驗(yàn)確定，外骨骼機(jī)器人設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)速度和加速度較小，因此kd的影響最大，通過腦電傳感器得到的專注度信號(hào)可對(duì)kd進(jìn)行微調(diào)，使得專注度高時(shí)，kd增大，系統(tǒng)剛度增大，抓握力提高；專注度低時(shí)，kd減小，系統(tǒng)剛度減小。

25、進(jìn)一步的，本設(shè)計(jì)利用肌電傳感器測量并處理肌電信號(hào)，得到肌肉的激活水平，并建立了肌肉激活水平與關(guān)節(jié)角度之間的映射關(guān)系，使用阻抗控制器來控制關(guān)節(jié)角度；同時(shí)，利用腦電傳感器采集的專注度信號(hào)來微調(diào)阻抗參數(shù)，從而調(diào)節(jié)機(jī)器人的剛度和抓握力，達(dá)到康復(fù)訓(xùn)練的效果。為了提取有效信號(hào)并濾除高低頻噪聲，采用10-500hz的帶通濾波器；為了消除工頻干擾，采用50hz的陷波濾波器；為了使信號(hào)的均值為零以便后續(xù)處理，需要濾除其直流量；通過全波整流和1hz的低通濾波器，可以得到肌肉的激活水平(肌力)。后續(xù)給出兩種控制方案，其中e1和e2分別表示屈肌和伸肌的肌力；k1、k2、k3和t是常數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)確定。

26、1.使用肌力控制抓握運(yùn)動(dòng)速度。手指的運(yùn)動(dòng)速度由肌力大小決定，肌力大則運(yùn)動(dòng)速度大，其優(yōu)點(diǎn)是可控性高，可以容易地控制關(guān)節(jié)停留的角度。

27、2.使用肌力控制手掌開合程度。關(guān)節(jié)的角度由肌力大小決定，肌力大則運(yùn)動(dòng)幅度大，其優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)迅速，控制靈敏。

28、本發(fā)明的技術(shù)效果和優(yōu)點(diǎn)：

29、(1)根據(jù)多個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)耦合運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)，通過調(diào)整穿戴部件上調(diào)節(jié)滑塊的位置可以適應(yīng)不同人手的尺寸，實(shí)現(xiàn)個(gè)體差異化自適應(yīng)，滿足不同人體的需求，同時(shí)可以滿足外骨骼運(yùn)動(dòng)瞬心和人關(guān)節(jié)中心一一對(duì)應(yīng)。在調(diào)整穿戴部件之后，可以根據(jù)初始位置電位器角度的變化運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解得到連桿長度，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。

30、(2)根據(jù)人體手指的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)四連桿耦合機(jī)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使得pip和dip關(guān)節(jié)更加接近的角度關(guān)系，滿足人手在運(yùn)動(dòng)過程中的協(xié)調(diào)性，增加舒適度。

31、(3)基于旋轉(zhuǎn)電位器和直線推桿的位移量，可以解算出sea串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器彈簧的壓縮量，估算出拉壓力，實(shí)現(xiàn)無力傳感器的力反饋，減少了傳感器的數(shù)量，減小外骨骼系統(tǒng)尺寸和整體質(zhì)量。

32、(4)采用腦電信號(hào)和肌電信號(hào)相融合實(shí)現(xiàn)控制，可以實(shí)現(xiàn)較高的人機(jī)交互性以及人體與外骨骼的相容性，實(shí)現(xiàn)人對(duì)外骨骼的反饋；同時(shí)指尖末端采用了振動(dòng)傳感器，通過振動(dòng)給人體傳遞信息，用于向患者反饋?zhàn)ノ樟?，抓握力不足時(shí)振動(dòng)頻率高，幅度大，以促進(jìn)患者集中注意力并提高抓握意愿，實(shí)現(xiàn)外骨骼對(duì)人的反饋，實(shí)現(xiàn)了外骨骼對(duì)人以及人對(duì)外骨骼的雙向反饋，人機(jī)交互性更高。

33、(5)提出了一種全驅(qū)動(dòng)(fas)復(fù)合控制策略，消除不需要的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，直接賦值任何需要的閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。所提出的控制策略不僅能識(shí)別未知的動(dòng)力學(xué)模型，還能有效地抑制摩擦力和外界干擾。提出了一種基于梯度的參數(shù)優(yōu)化方法。優(yōu)化后的控制增益滿足關(guān)節(jié)角度限制、關(guān)節(jié)速度限制和輸入轉(zhuǎn)矩限制。