CN102990669A - 抑制手部震颤的助餐机器人及抑震控制方法 - Google Patents
抑制手部震颤的助餐机器人及抑震控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
抑制手部震颤的助餐机器人及抑震控制方法。目前还没有一种专门为震颤患者用餐时手部震颤的助餐机器人。本发明组成包括：机座（
1
），控制系统（
2
）安装在机座上，控制系统与操作臂
A
（
28
）通过肩关节（
5
）与操作臂
B
（
29
）连接，肩关节与安装有编码器
A
（
3
）的伺服电机
A
（
4
）连接，操作臂
B
通过肘关节（
8
）与操作臂
C
（
30
）连接，操作臂
C
与安装有编码器
B
（
6
）的伺服电机
B
（
7
）连接，操作臂
C
通过仰俯关节（
10
）与操作臂
D
（
31
）连接，操作臂
D
与回转关节（
11
）连接，回转关节上安装有勺子（
12
），勺子的勺把上安装有三维力传感器（
13
），三维力传感器通过
RS485
通信接口与控制系统连接。本发明用于抑制震颤患者用餐时手部的震颤。
Description
技术领域：
本发明涉及一种抑制手部震颤的助餐机器人及抑震控制方法。
背景技术：
通常人体的某部位发生非意愿颤动的现象，医学上称之为“震颤”。震颤是一种不自主的、有规律性的、近似正弦往复摆动的肢体运动，常见于人的四肢和头部，是最常见的神经科疾病症状之一，如原发性震颤（
ET
）、帕金森病（
PD
）等。原发性震颤（
essential tremor
，
ET
）是一种常见的运动障碍，常有家族聚集现象，任何年龄均可发病，平均起病年龄
45
岁左右。近年来发病率呈上升趋势的帕金森病，除了肢体震颤外，还伴有肌僵直和运动减退等症状。肢体震颤按病因分为生理性震颤和病理性震颤两类。生理性震颤是人体的一种固有震颤，所有人的肢体都具有这种现象，只是强弱不同而已；病理性震颤是由于人体的病变而带来的一种震颤，如帕金森综合症和小脑病变等，给众多患者的日常生活带来了极大不便，甚至使患者的生活不能自理。
医学界对震颤发生机理及其药物治疗已开展了几十年的研究，至今还没有治疗震颤非常有效的方法。肢体震颤特别是手臂，影响精细动作、日常饮食和书写，严重时给患者的日常生活带来诸多不便。近几年国内外科研人员尝试通过“非药物”途径，综合利用机器人技术研制和开发震颤抑制康复装置，帮助肢体震颤患者克服运动障碍，恢复生活自理能力，已初步得到了医学界和肢体震颤患者的认可。
利用机器人技术的抑震康复装置采用两种抑震方法：一种是“被动”震颤抑制控制方法，主要是通过连续调节机器人系统的关节阻尼和惯量系数，进而改变整个人机系统的生物力学特性，达到减弱肢体震颤运动的目的；另一种是“主动”震颤抑制控制方法，主要是通过实时预估肢体震颤运动信号，控制抑震装置产生与震颤运动方向相反的运动，达到抵消肢体震颤运动的目的。
目前应用较广的助餐机器人是英国的
Handy1
，日本
Secom
公司的
“My spoon”
等。
Handy1
是目前世界上最成功的一种助餐机器人，它具有
5
个自由度和带有手爪的机器手臂，手臂可灵活地从进餐托盘的
7
个格子中取餐。
“My Spoon”
仅需少量操纵杆操作和按钮操作便可将食物送至嘴边，然后按照用餐者的进食快慢来辅助就餐。美国专利《
SELF-FEEDING
APPLIANCE
》（
US4398857
）公开了一种自主助餐器具，使用对象为双臂残疾人。以上这几种助餐机器人均是为先天性身体残疾、脊髓损伤、肌肉萎缩症疾病的患者研制和使用的。目前还没有一种专门为抑制原发性震颤、帕金森氏震颤患者用餐时手部震颤的助餐机器人。
发明内容：
本发明的目的是提供一种抑制手部震颤的助餐机器人及抑震控制方法，结构简单、操作方便，解决了震颤患者日常饮食上的不便，提高了患者的日常生活质量。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
一种抑制手部震颤的助餐机器人，其组成包括：机座，控制系统安装在所述的机座上，所述的控制系统与操作臂
A
通过肩关节与操作臂
B
连接，所述的肩关节与安装有编码器
A
的伺服电机
A
连接，所述的操作臂
B
通过肘关节与操作臂
C
连接，所述的操作臂
C
与安装有编码器
B
的伺服电机
B
连接，所述的操作臂
C
通过仰俯关节与操作臂
D
连接，所述的操作臂
D
与回转关节连接，所述的回转关节上安装有勺子，所述的勺子的勺把上安装有三维力传感器，所述的三维力传感器通过
RS485
通信接口与所述的控制系统连接。
所述的抑制手部震颤的助餐机器人，所述的俯仰关节、所述的回转关节均安装回转限位挡块，限定所述的勺子的俯仰角度
θ
3
为﹣
45
°
~45
°，限定所述的勺子的回转角度
θ
4
为﹣
30
°
~30
°，在所述的俯仰关节上安装有双向旋转阻尼器。
所述的抑制手部震颤的助餐机器人，所述的控制系统包括上位机，所述的上位机与单片机连接，所述的单片机与肩关节驱动回路、肘关节驱动回路连接，所述的肩关节驱动回路与所述的肩关节连接，所述的肘关节驱动回路与所述的肘关节连接。
所述的抑制手部震颤的助餐机器人，所述的单片机与所述的肩关节驱动回路的伺服驱动器
A
、所述的肘关节驱动回路的伺服驱动器
B
连接，所述的伺服驱动器
A
通过位置控制器
A
、速度控制器
A
控制所述的伺服电机
A
运动，所述的伺服电机
A
与所述的编码器
A
连接，所述的编码器
A
与所述的单片机连接；所述的伺服驱动器
B
通过位置控制器
B
、速度控制器
B
控制伺服电机
B
运动，所述的伺服电机
B
与所述的编码器
B
连接，所述的编码器
B
与所述的单片机连接。
一种抑制手部震颤的助餐机器人的抑震控制方法，三维力传感器检测到用餐者的手部运动，控制系统的上位机采集所述的三维力传感器的测量信号，经过实时滤波后，得到所述的进餐者的意向运动信号；根据该意向运动信号，所述的上位机经过计算将速度指令信号、位置指令信号传递给单片机；所述的单片机向伺服驱动器
A
、伺服驱动器
B
发送指令信号，分别控制肩关节驱动回路、肘关节驱动回路，使得肩关节、肘关节运动；在运动过程中，由所述的进餐者控制俯仰关节、回转关节的运动。
所述的抑制手部震颤的助餐机器人的抑震控制方法，所述的单片机向所述的伺服驱动器
A
、所述的伺服驱动器
B
发指令信号，所述的伺服驱动器
A
将位置指令传递给位置控制器
A
、所述的位置控制器
A
将速度指令传递给速度控制器
A
，所述的速度控制器
A
将信号传递给伺服电机
A
，所述的伺服电机
A
控制所述的肩关节运动，此时，与所述的伺服电机连接的编码器
A
对转速信号、转角信号进行检测，然后分别传递给所述的速度控制器
A
、所述的单片机。
所述的抑制手部震颤的助餐机器人的抑震控制方法，所述的伺服驱动器
B
将位置指令传递给位置控制器
B
、所述的位置控制器
B
将速度指令传递给速度控制器
B
，所述的速度控制器
B
将信号传递给伺服电机
B
，所述的伺服电机
B
控制所述的肘关节运动，此时，与所述的伺服电机连接的编码器
B
对转速信号、转角信号进行检测，然后分别传递给所述的速度控制器
B
、所述的单片机。
所述的抑制手部震颤的助餐机器人的抑震控制方法，所述的俯仰关节、所述的回转关节均安装回转限位挡块，限定所述的勺子的俯仰角度
θ
3
为﹣
45
°
~45
°，限定所述的勺子的回转角度
θ
4
为﹣
30
°
~30
°，在所述的俯仰关节上安装有双向旋转阻尼器。
有益效果：
1.
本发明在助餐机器人的末端勺柄上安装有三维力传感器，通过该力传感器感知进餐者的手部意向运动，控制系统根据提取的意向力信号，来控制助餐机器人的肩、肘关节运动，从而约束该机器人末端勺子的运动速度和运动轨迹，达到抑制患者进餐时手部震颤的目的。
2.
本发明基于人机合作机器人的思想，借助计算机控制，由助餐机器人对用餐时的手部轨迹进行约束控制，来抑制震颤患者的手部震颤。机器人末端勺柄上安装有三维力传感器，用来检测进餐者的手部运动，控制系统根据提取的手部意向信号的大小，控制助餐机器人的肩、肘关节以快、中、慢三种不同的关节转速，实现助餐机器人的速度约束控制和轨迹约束控制。这样既抑制了震颤患者用餐时手部的震颤运动，又尽可能地减小抑震对人体意向运动的影响。
3.
本发明的勺子的俯仰关节、回转关节由进餐者控制，人与机器人合作共同完成了进餐过程。在俯仰关节处安装有双向旋转阻尼器，目的是抑制手臂震颤可能对勺子俯仰运动的影响，使勺子的俯仰缓速柔和；在勺子的俯仰关节和回转关节处均安装回转限位挡块，限定勺子的俯仰角度和回转角度，以满足进餐的需要。
4.
本发明在震颤患者用餐时，助餐机器人安放在餐桌上进餐者的对面，其末端勺子放在餐盘的正上方，餐盘放在进餐者的正前方。根据正常人进餐的快慢不同，控制系统按力传感器测得的意向力信号的大小，控制助餐机器人实现快、中、慢三种不同的进餐速度，解决了震颤患者日常饮食上的不便，提高了患者的日常生活质量。
附图说明：
附图
1
是本发明的结构示意图。
附图
2
是附图
1
中控制系统的原理框图。
附图
3
是附图
2
中肩关节驱动回路的原理框图。
附图
4
是附图
2
中肘关节驱动回路的原理框图。
附图
5
是附图
1
中餐盘的四个分区的示意图。
具体实施方式：
实施例
1
：
一种抑制手部震颤的助餐机器人，其组成包括：机座
1
，控制系统
2
安装在所述的机座上，所述的控制系统与操作臂
A28
通过肩关节
5
与操作臂
B29
连接，所述的肩关节与安装有编码器
A3
的伺服电机
A4
连接，所述的操作臂
B
通过肘关节
8
与操作臂
C30
连接，所述的操作臂
C
与安装有编码器
B6
的伺服电机
B7
连接，所述的操作臂
C
通过仰俯关节
10
与操作臂
D31
连接，所述的操作臂
D
与回转关节
11
连接，所述的回转关节上安装有勺子
12
，所述的勺子的勺把上安装有三维力传感器
13
，所述的三维力传感器通过
RS485
通信接口与所述的控制系统连接。
所述的单片机可以选用
AVR8535
单片机。
肩关节
由
伺服电机
A
驱动，
其转速
n
1
、转角
θ1
由编码器
A
检测，
肘关节
由
伺服电机
B
驱动，其转速
n2
、转角
θ
2
由编码器
B
检测
,
三维力传感器
用来检测进餐者的手部运动，控制系统根据提取的手部意向信号，控制肩关节、肘关节运动，约束机器人末端勺子的运动速度和运动轨迹，达到抑制患者进餐时手部震颤的目的。
实施例
2
：
上述的抑制手部震颤的助餐机器人，所述的俯仰关节、所述的回转关节均安装回转限位挡块，限定所述的勺子的俯仰角度
θ
3
为﹣
45
°
~45
°，限定所述的勺子的回转角度
θ
4
为﹣
30
°
~30
°，在所述的俯仰关节上安装有双向旋转阻尼器
9
。
实施例
3
：
上述的抑制手部震颤的助餐机器人，所述的控制系统如附图
2
所示，包括上位机，所述的上位机与单片机连接，所述的单片机与肩关节驱动回路
23
、肘关节驱动回路
25
连接，所述的肩关节驱动回路与所述的肩关节连接，所述的肘关节驱动回路与所述的肘关节连接。
实施例
4
：
上述的抑制手部震颤的助餐机器人，所述的单片机与所述的肩关节驱动回路的伺服驱动器
A
、所述的肘关节驱动回路的伺服驱动器
B
连接，所述的伺服驱动器
A
通过位置控制器
A26
、速度控制器
A27
控制伺服电机
A
运动，所述的伺服电机
A
与所述的编码器
A
连接，所述的编码器
A
与所述的单片机连接；所述的伺服驱动器
B
通过位置控制器
B32
、速度控制器
B33
控制伺服电机
B
运动，所述的伺服电机
B
与所述的编码器
B
连接，所述的编码器
B
与所述的单片机连接。
实施例
5
：
一种抑制手部震颤的助餐机器人的抑震控制方法，三维力传感器检测到用餐者
16
的手部运动，控制系统的上位机采集所述的三维力传感器的测量信号，经过实时滤波后，得到所述的进餐者的意向运动信号；根据该意向运动信号，所述的上位机经过计算将速度指令信号、位置指令信号传递给单片机；所述的单片机向伺服驱动器
A
、伺服驱动器
B
发送指令信号，分别控制肩关节驱动回路、肘关节驱动回路，使得肩关节、肘关节运动；在运动过程中，由所述的进餐者控制俯仰关节、回转关节的运动。
所述的单片机可以选用
AVR8535
单片机。
用餐时助餐机器人安放在餐桌
14
上，进餐者的对面，并且末端勺子位于餐盘
15
的正上方，餐盘放在餐桌上进餐者的正前方。
肩关节
由
伺服电机
A
驱动，
其转速
n
1
、转角
θ1
由编码器
A
检测，
肘关节
由
伺服电机
B
驱动，其转速
n2
、转角
θ
2
由编码器
B
检测
,
三维力传感器
用来检测进餐者的手部运动，控制系统根据提取的手部意向信号，控制肩关节、肘关节运动，约束机器人末端勺子的运动速度和运动轨迹，达到抑制患者进餐时手部震颤的目的。
实施例
6
：
上述的抑制手部震颤的助餐机器人的抑震控制方法，所述的单片机向所述的伺服驱动器
A
、所述的伺服驱动器
B
发指令信号，所述的伺服驱动器
A
将位置指令传递给位置控制器
A
、所述的位置控制器
A
将速度指令传递给速度控制器
A
，所述的速度控制器
A
将信号传递给伺服电机
A
，所述的伺服电机
A
控制所述的肩关节运动，此时，与所述的伺服电机连接的编码器
A
对转速信号、转角信号进行检测，然后分别传递给所述的速度控制器
A
、所述的单片机。
实施例
7
：
上述的抑制手部震颤的助餐机器人的抑震控制方法，所述的伺服驱动器
B
将位置指令传递给位置控制器
B
、所述的位置控制器
B
将速度指令传递给速度控制器
B
，所述的速度控制器
B
将信号传递给伺服电机
B
，所述的伺服电机
B
控制所述的肘关节运动，此时，与所述的伺服电机连接的编码器
B
对转速信号、转角信号进行检测，然后分别传递给所述的速度控制器
B
、所述的单片机。
实施例
8
：
上述的抑制手部震颤的助餐机器人的抑震控制方法，所述的俯仰关节、所述的回转关节均安装回转限位挡块，限定所述的勺子的俯仰角度
θ
3
为﹣
45
°
~45
°，限定所述的勺子的回转角度
θ
4
为﹣
30
°
~30
°，在所述的俯仰关节上安装有双向旋转阻尼器。
实施例
9
：
上述的抑制手部震颤的助餐机器人的抑震控制方法，如附图
1
所示，用餐开始前，机器人末端勺子位于起始位置
A
点，餐盘位于
B
点，进餐者的嘴部在
C
点，定义虚拟平面
17
为过
A
、
B
、
C
三点的平面。用餐开始后，机器人末端勺子由
A
®
B
点或由
C
®
B
点为取餐过程，由
B
®
C
点为送餐过程。控制系统控制机器人末端勺子由
A
®
B
点或由
C
®
A
点为虚拟平面内的直线轨迹，由
B
®
C
点或由
C
®
B
点为虚拟平面内的圆弧轨迹。
实施例
10
：
上述的抑制手部震颤的助餐机器人的抑震控制方法，控制系统提取意向运动信号后，控制机器人末端勺子开始由
A
®
B
点的取餐运动，在运动过程中伴有由进餐者控制的俯仰关节、回转关节的运动；取餐完成后，控制系统根据意向信号控制机器人末端勺子开始由
B
®
C
点的送餐运动，送餐到
C
点后，进餐者开始进餐；接着控制系统控制末端勺子由
C
®
B
点的取餐运动，取餐后，控制末端勺子由
B
®
C
点的送餐运动；用餐结束时，控制末端勺子由
C
®
A
点，达到
A
点后，助餐机器人停止运动。
实施例
11
：
上述的抑制手部震颤的助餐机器人的抑震控制方法，如附图
5
所示，餐盘可选用有四个分区
B1
、
B2
、
B3
和
B4
的餐盘，此时餐盘可以手动转位。进餐开始前，可将餐盘的
B1
放在助餐机器人的末端勺子的正下方，进餐者的正前方。进餐开始后，进餐者可以转动餐盘，分别将
B2
、
B3
或
B4
转位到自己的正前方，这样进餐者就可以吃到几种不同的饭菜。
Claims (8)
1.一种抑制手部震颤的助餐机器人，其组成包括：机座，其特征是：控制系统安装在所述的机座上，所述的控制系统与操作臂A通过肩关节与操作臂B连接，所述的肩关节与安装有编码器A的伺服电机A连接，所述的操作臂B通过肘关节与操作臂C连接，所述的操作臂C与安装有编码器B的伺服电机B连接，所述的操作臂C通过仰俯关节与操作臂D连接，所述的操作臂D与回转关节连接，所述的回转关节上安装有勺子，所述的勺子的勺把上安装有三维力传感器，所述的三维力传感器通过RS485通信接口与所述的控制系统连接。
2.根据权利要求1所述的抑制手部震颤的助餐机器人，其特征是：所述的俯仰关节、所述的回转关节均安装回转限位挡块，限定所述的勺子的俯仰角度θ3为﹣45°~45°，限定所述的勺子的回转角度θ4为﹣30°~30°，在所述的俯仰关节上安装有双向旋转阻尼器。
3.根据权利要求1或2所述的抑制手部震颤的助餐机器人，其特征是：所述的控制系统包括上位机，所述的上位机与单片机连接，所述的单片机与肩关节驱动回路、肘关节驱动回路连接，所述的肩关节驱动回路与所述的肩关节连接，所述的肘关节驱动回路与所述的肘关节连接。
4.根据权利要求1或2所述的抑制手部震颤的助餐机器人，其特征是：所述的单片机与所述的肩关节驱动回路的伺服驱动器A、所述的肘关节驱动回路的伺服驱动器B连接，所述的伺服驱动器A通过位置控制器A、速度控制器A控制所述的伺服电机A运动，所述的伺服电机A与所述的编码器A连接，所述的编码器A与所述的单片机连接；所述的伺服驱动器B通过位置控制器B、速度控制器B控制伺服电机B运动，所述的伺服电机B与所述的编码器B连接，所述的编码器B与所述的单片机连接。
5.一种抑制手部震颤的助餐机器人的抑震控制方法，其特征是：三维力传感器检测到用餐者的手部运动，控制系统的上位机采集所述的三维力传感器的测量信号，经过实时滤波后，得到所述的进餐者的意向运动信号；根据该意向运动信号，所述的上位机经过计算将速度指令信号、位置指令信号传递给单片机；所述的单片机向伺服驱动器A、伺服驱动器B发送指令信号，分别控制肩关节驱动回路、肘关节驱动回路，使得肩关节、肘关节运动；在运动过程中，由所述的进餐者控制俯仰关节、回转关节的运动。
6.根据权利要求5所述的抑制手部震颤的助餐机器人的抑震控制方法，其特征是：所述的单片机向所述的伺服驱动器A、所述的伺服驱动器B发指令信号，所述的伺服驱动器A将位置指令传递给位置控制器A、所述的位置控制器A将速度指令传递给速度控制器A，所述的速度控制器A将信号传递给伺服电机A，所述的伺服电机A控制所述的肩关节运动，此时，与所述的伺服电机连接的编码器A对转速信号、转角信号进行检测，然后分别传递给所述的速度控制器A、所述的单片机。
7.根据权利要求5或6所述的抑制手部震颤的助餐机器人的抑震控制方法，其特征是：所述的伺服驱动器B将位置指令传递给位置控制器B、所述的位置控制器B将速度指令传递给速度控制器B，所述的速度控制器B将信号传递给伺服电机B，所述的伺服电机B控制所述的肘关节运动，此时，与所述的伺服电机连接的编码器B对转速信号、转角信号进行检测，然后分别传递给所述的速度控制器B、所述的单片机。
8.根据权利要求5或6所述的抑制手部震颤的助餐机器人的抑震控制方法，其特征是：所述的俯仰关节、所述的回转关节均安装回转限位挡块，限定所述的勺子的俯仰角度θ3为﹣45°~45°，限定所述的勺子的回转角度θ4为﹣30°~30°，在所述的俯仰关节上安装有双向旋转阻尼器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2012105220992A CN102990669A (zh) | 2012-12-07 | 2012-12-07 | 抑制手部震颤的助餐机器人及抑震控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2012105220992A CN102990669A (zh) | 2012-12-07 | 2012-12-07 | 抑制手部震颤的助餐机器人及抑震控制方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102990669A true CN102990669A (zh) | 2013-03-27 |
Family
ID=47920049
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN2012105220992A Pending CN102990669A (zh) | 2012-12-07 | 2012-12-07 | 抑制手部震颤的助餐机器人及抑震控制方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN102990669A (zh) |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130327 |