本發(fā)明屬于康復機器人，特別涉及一種氣動軟體手部康復機器人的控制系統(tǒng)及控制方法。

背景技術：

1、近年來，軟體機器人已成為機器人領域的研究熱點。它們是一種由柔性材料制成的新型連續(xù)仿生機器人。

2、機器人輔助的重復任務訓練可以有效地幫助手部功能的恢復。為了克服傳統(tǒng)機器人的局限性，軟手康復機器人通過軟執(zhí)行器實現手指康復和輔助運動。其中，氣動驅動的軟康復機器人具有重量輕、靈活、安全等特點，適用于手部輔助和康復。但是，現在大多數的氣動軟體手部康復機器人只能實現手指的單向彎曲。因此，設計一種雙向彎曲的氣動軟體手部康復機器人，可以更好的滿足手部受損患者的康復訓練的需求。

3、此外，研究人員已經研究并設計了模仿人類手指運動的軟體機器人執(zhí)行器，包括雙向彎曲執(zhí)行器。許多這些柔軟的機器人手由流體驅動的軟執(zhí)行器組成，它利用中空軟結構中的流體進行氣動或液壓驅動。盡管軟致動器已經獲得了極大的關注，但其流體驅動系統(tǒng)卻很少受到關注。軟體手部機器人的氣動驅動平臺可以采用壓縮空氣作為動力，主要采用氣泵作為氣源，配合各種閥門控制空氣的流向。最流行的氣動控制架構是流體控制的開源硬件平臺，可以從控制板上獲得，控制板主要由隔膜泵和電磁閥組成，控制算法在arduino微控制器上實現，可以在單個系統(tǒng)范圍內進行壓力調節(jié)。軟體手部康復機器人系統(tǒng)越來越復雜，要求能夠控制致動器復雜的運動功能。其中，繼電器和電磁閥起到了關鍵的作用。關于軟體手部康復機器人的文獻中已經介紹了帶有電磁閥的設置。用于控制雙向彎曲軟致動器的硬件和控制平臺介紹的少之又少。因此，設計一種易于擴展且便宜的硬件平臺，使雙向彎曲氣動軟機械手康復機器人能夠輔助手部受傷患者進行多種康復練習尤為重要。

技術實現思路

1、針對上述問題，本發(fā)明的目的在于設計一種包含氣路和電路的硬件平臺，主要由氣路模塊和電路模塊組成，包含可編程控制器、繼電器、電磁閥、氣泵、溢流閥和傳感器等元器件組成。可以控制具有雙向彎曲的軟體手部康復機器人。通過arduino微型控制器控制氣路和電路中的電氣元件的開斷，實現控制軟體手部康復機器人輔助手部受損患者完成康復訓練和輔助任務。

2、為了實現上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案：一種氣動軟體手部機器人的控制方法，包括以下步驟：

3、步驟1、實時采集和記錄氣動軟體手部機器人的反饋信號和控制信號；所述控制和反饋信號數據包括氣壓信號數據、手指角度信號數據、手指壓力信號數據、控制電路信號數據；控制電路信號數據包括繼電器信號、電磁閥開度信號；

4、步驟2、根據氣壓-彎曲角度的數學模型，計算在給定目標彎曲角度下對應的氣壓輸出值；

5、步驟3、根據氣壓、角度和手指壓力輸出值輸出繼電器調節(jié)信號控制氣動軟體手部機器人執(zhí)行多種彎曲形態(tài)。

6、主彎曲模塊的數學模型包括：

7、定義單元氣腔模塊的長度為a，充氣后模塊的膨脹長度為b，高度為h，彎曲角度為θ，模塊的寬度為c，環(huán)境因素引起的誤差為e，則彎曲角度θ為：

8、

9、根據阿伏加德羅的假設，氣體體積和質量的平衡方程從克拉伯倫方程推導得到：

10、

11、其中，p(pa)是壓力，v(m3)是體積，m(g)是質量，μ(g/mol)是摩爾質量，t(℃)是絕對溫度，r是常數；

12、當主彎曲模塊腔體膨脹時，單個氣室被視為半橢球體，單個充氣氣室的體積表達式如下：

13、

14、根據方程式(1)-(3)，得出輸出氣壓與彎曲角度之間的關系：

15、

16、反向彎曲模塊的數學模型包括：

17、為在不影響手指屈曲角度的情況下滿足反向彎曲的要求，將中間部分設計為等腰梯形，側面為不規(guī)則梯形，具有相同的傾斜角度；反向彎曲模塊的高度為h1，上底長度為b1，下底長度為a1，梯形下底與邊之間的角度為α1，模塊的寬度為c，則有：

18、

19、其中，t是梯形的斜邊；r是膨脹后扇形的半徑；ε是中心角的一半；θ是彎曲角度的一半；

20、當反向彎曲模塊腔體膨脹時，單個腔室表示為：

21、v＝2εr2c-rtccosε+(a1+b1)h1c/2?????(6)

22、根據阿伏加德羅的假設，氣體體積和質量的平衡方程從克拉伯倫方程推導得到：

23、

24、其中，p′(pa)是壓力，v(m3)是體積，m0(g)是質量，μ0(g/mol)是摩爾質量，t0(℃)是絕對溫度，r0是常數；

25、根據方程式(5)-(7)，得出輸出氣壓與彎曲角度之間的關系：

26、

27、一種氣動軟體手部機器人的控制系統(tǒng)，所述系統(tǒng)用于控制氣動軟體手部機器人運動；

28、所述氣動軟體手部機器人包括：由上至下依次連接的主彎曲模塊、中間氣管連接層及反向彎曲模塊，其中主彎曲模塊設有兩組或三組向上凸起且獨立的上腔體結構，反向彎曲模塊設有向下凸起的下腔體結構，中間氣管連接層用于連接主彎曲模塊和反向彎曲模塊，且為下腔體結構和各上腔體結構提供氣壓；

29、所述系統(tǒng)的控制電路包括：控制器和與其分別連接的控制主彎曲氣路和反向彎曲氣路的電氣元件；所述主彎曲氣路、反向彎曲氣路均由各電氣元件控制工作狀態(tài)；主彎曲氣路和反向彎曲氣路的氣泵電源輸入端連接電機驅動器，主彎曲氣路和反向彎曲氣路的共同的中間連接氣路末端連接氣動軟體手部機器人的中間氣管連接層；所述控制器中內置有各程序單元，各程序單元相互配合輸出指令控制相應的電氣元件，進而控制主彎曲氣路和反向彎曲氣路的工作狀態(tài)，并結合氣泵通過中間氣管連接層向主彎曲模塊和反向彎曲模塊充氣，實現氣動軟體手部機器人的彎曲和伸展動作。

30、所述控制電路還包括與控制器連接的至少2個氣壓傳感器；所述氣壓傳感器i設在與主彎曲模塊直接相連的充氣管路或主彎曲氣路的主氣路內；所述氣壓傳感器ii設在與反向彎曲模塊直接相連的充氣管路或反向彎曲氣路的主氣路內；用于采集實時充氣氣壓信號數據。

31、所述控制主彎曲氣路、和反向彎曲氣路的電氣元件包括氣泵、溢流閥、繼電器、兩位兩通電磁閥和兩位三通電磁閥，繼電器連接控制器；所述主彎曲電路、反向彎曲電路的電路結構相同，均包括：繼電器和兩位兩通電磁閥組成的五個支路，分別控制五個手指的正向彎曲和反向彎曲；繼電器均連接控制器，控制器輸出信號給各繼電器使得主彎曲電路各支路和反向彎曲電路中各支路兩位兩通電磁閥上電；主彎曲電路的兩位兩通電磁閥分別控制兩位三通電磁閥，通過主彎曲氣路連接氣動軟體機器人的主彎曲模塊；反向彎曲電路的兩位兩通電磁閥通過反向彎曲氣路連接氣動軟體機器人的反向彎曲模塊；主彎曲氣路和反向彎曲氣路均連接一個氣泵；控制器輸出信號給各兩位兩通電磁閥調節(jié)閥的開度，并輸出信號給電機驅動器控制氣泵的工作和調節(jié)氣泵輸出氣體的流速，給主彎曲模塊和反向彎曲模塊的上腔體結構和各下腔體結構提供氣壓；溢流閥的輸入端連接氣泵的出氣口，溢流閥的輸出端與充氣氣路相連，泄掉系統(tǒng)超出的氣壓，保持系統(tǒng)的氣壓恒定。

32、所述各程序單元包括：

33、信號采集和記錄單元，實時采集和記錄氣動軟體手部機器人的反饋信號和控制信號；所述控制和反饋信號數據包括氣壓信號數據、手指角度信號數據、手指壓力信號數據、控制電路信號數據；控制電路信號數據包括繼電器信號、電磁閥開度信號；

34、模型計算單元，根據氣壓-彎曲角度的數學模型，計算在給定目標彎曲角度下對應的氣壓輸出值；

35、調節(jié)信號控制單元，根據氣壓、角度和手指壓力輸出值輸出電磁閥調節(jié)信號控制氣動軟體手部機器人執(zhí)行多種彎曲形態(tài)。

36、所述主彎曲模塊的上腔體結構包括依次并列的多個半圓形截面氣腔，每組相鄰兩個半圓形截面氣腔之間通過主彎曲模塊氣體通道連通，各半圓形截面氣腔內通入氣體后，所述主彎曲模塊能夠實現軟體手部機器人的主彎曲功能；所述主彎曲模塊的上腔體結構加壓后末端指尖能夠達到180°的彎曲角度。

37、所述反向彎曲模塊的下腔體結構包括并列設置的多個梯形截面氣腔，相鄰兩個梯形截面氣腔之間通過反向彎曲模塊氣體通道連通，各梯形截面氣腔內通入氣體后，所述反向彎曲模塊能夠實現軟體手部機器人的反向彎曲；所述反向彎曲模塊的下腔體結構加壓后，末端指尖能夠達到70°的彎曲角度。

38、所述中間氣管連接層包括連接板及設置于連接板上的多個氣管，連接板的兩側分別與所述主彎曲模塊和所述反向彎曲模塊密封連接，多個氣管分別為所述主彎曲模塊的各上腔體結構和所述反向彎曲模塊的下腔體結構供氣；所述連接板的上側面設有分別與各所述上腔體結構連通的多個主彎曲模塊通氣氣孔；所述連接板的下側面設有與所述下腔體結構連通的反向彎曲模塊通氣氣孔。

39、所述反向彎曲模塊反向彎曲的指尖力小于所述主彎曲模塊主彎曲指尖力。所述主彎曲模塊、中間氣管連接層及反向彎曲模塊均采用硅膠材料制成。

40、本發(fā)明與現有技術相比的優(yōu)點及有益效果是：

41、1.符合人手仿生學：本發(fā)明提供的一種氣動軟體手部機器人，其結構設計是符合人手的彎曲和伸展形態(tài)的，反向彎曲模塊可以更加貼合手指的運動。

42、2.安全性較好：本發(fā)明通過氣動驅動的方式驅動軟體手部機器人，可以在安全的氣壓下實現手指的康復運動，經過實驗驗證，反向彎曲的指尖力小于主彎曲指尖力，保證了安全性。

43、3.手指屈曲角度大：本發(fā)明的主彎曲模塊采用的十二個腔體結構，加壓后指尖可以達到180°的彎曲角度。反向彎曲模塊的指尖可以達到70°的彎曲角度，滿足手指彎曲的要求。

44、4.多種康復手勢：本發(fā)明通過控制軟體手部機器人的不同關節(jié)，可以實現手指的多種彎曲形態(tài)，并可以輔助手指完成伸展運動，最終滿足多種康復訓練的需求。

45、5.輔助功能：經過測試，本發(fā)明的單根手指在130kpa下，最大載荷能力重量為260g，可以輔助手部受損患者抓取適合重量的物體。

46、6.易擴展：該硬件平臺采用最簡單的實現雙向彎曲軟體手部康復機器人控制的搭建方式，便于在其基礎上實現更加復雜的功能。

47、7.功能齊全：通過該硬件平臺可以實現手指的單獨訓練和協同訓練，并能完成手指的伸展運動。這增加了多種手部康復的姿勢，實現輔助任務。