CN108670412A - 一种具有力反馈机制的外骨骼康复机械手及方法 - Google Patents
一种具有力反馈机制的外骨骼康复机械手及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108670412A CN108670412A CN201810575079.9A CN201810575079A CN108670412A CN 108670412 A CN108670412 A CN 108670412A CN 201810575079 A CN201810575079 A CN 201810575079A CN 108670412 A CN108670412 A CN 108670412A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- finger
- linear motor
- value
- exoskeleton
- force
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000008713 feedback mechanism Effects 0.000 title claims abstract description 14
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 12
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims abstract description 6
- 210000001145 finger joint Anatomy 0.000 claims abstract description 5
- 238000013100 final test Methods 0.000 claims abstract 2
- 210000003811 finger Anatomy 0.000 claims description 98
- 238000012549 training Methods 0.000 claims description 23
- 230000004048 modification Effects 0.000 claims description 13
- 238000012986 modification Methods 0.000 claims description 13
- 210000003813 thumb Anatomy 0.000 claims description 13
- 210000004932 little finger Anatomy 0.000 claims description 10
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 claims description 6
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 3
- 235000013399 edible fruits Nutrition 0.000 claims 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 12
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 4
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000011217 control strategy Methods 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 230000001144 postural effect Effects 0.000 description 2
- 208000012661 Dyskinesia Diseases 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- FVTCRASFADXXNN-SCRDCRAPSA-N flavin mononucleotide Chemical compound OP(=O)(O)OC[C@@H](O)[C@@H](O)[C@@H](O)CN1C=2C=C(C)C(C)=CC=2N=C2C1=NC(=O)NC2=O FVTCRASFADXXNN-SCRDCRAPSA-N 0.000 description 1
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000005622 photoelectricity Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 1
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
- A61B34/30—Surgical robots
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
- A61B34/70—Manipulators specially adapted for use in surgery
- A61B34/76—Manipulators having means for providing feel, e.g. force or tactile feedback
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
- A61H1/00—Apparatus for passive exercising; Vibrating apparatus; Chiropractic devices, e.g. body impacting devices, external devices for briefly extending or aligning unbroken bones
- A61H1/02—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising
- A61H1/0274—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising for the upper limbs
- A61H1/0285—Hand
- A61H1/0288—Fingers
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
- A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
- A61H2201/16—Physical interface with patient
- A61H2201/1657—Movement of interface, i.e. force application means
- A61H2201/1659—Free spatial automatic movement of interface within a working area, e.g. Robot
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
- A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
- A61H2201/50—Control means thereof
- A61H2201/5058—Sensors or detectors
- A61H2201/5071—Pressure sensors
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Surgery (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Public Health (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Robotics (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Epidemiology (AREA)
- Pain & Pain Management (AREA)
- Physical Education & Sports Medicine (AREA)
- Rehabilitation Therapy (AREA)
- Manipulator (AREA)
- Rehabilitation Tools (AREA)
Abstract
本发明公开了一种具有力反馈机制的外骨骼康复机械手及方法，包括控制系统、光电编码器、PWM调速器、直线电机、外骨骼机械手本体、人机交互界面和压力传感器，外骨骼机械手本体包括掌背平台，所述直线电机包括五个，分别配置控制不同手指的机械单元；压力传感器包括五个，分别设置在使用者五指远端指节指腹，随绷带固定在外骨骼手指远端指套，测量五个手指所受压力；控制系统接收各个手指的压力值，比较各直线电机在指定位置的压力传感器测量值与设定力值的大小，控制每个直线电机的运动和/或停止，最终实现压力传感器的测试值与设定力值一致。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有力反馈机制的外骨骼康复机械手及方法。
背景技术
手是人类用手完成各种复杂操作的重要基础，而手运动功能受损后恢复难度较大，形成运动功能障碍，容易导致终身残疾，严重影响患者的日常生活能力。
康复机械手是一种辅助手指完成康复训练任务的装置。其优点有重复性高、训练强度大、动作输出的稳定性强。但是目前的康复机械手结构复杂，对机械手施加的动力没有实时的力反馈检测及控制机制。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种具有力反馈机制的外骨骼康复机械手及方法，能够实时在线检测患者的手指运动状态，并辅助患者完成康复训练任务。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一目的提供一种具有力反馈机制的外骨骼康复机械手，包括控制系统、光电编码器、脉冲宽度调制(PWM)调速器、直线电机、外骨骼机械手本体和压力传感器，其中：
所述外骨骼机械手本体包括掌背平台，所述掌背平台上的对应位置处依次布设有外骨骼拇指、外骨骼食指、外骨骼中指、外骨骼无名指和外骨骼小指的机械单元，所述直线电机包括五个，分别控制不同的机械单元，且均设置于掌背平台上，每个直线电机单独驱动每个机械单元的运动；
所述压力传感器包括五个，分别设置在患者五指远端指节指腹，随绷带固定在外骨骼手指远端指套，测量五个手指所受压力；
所述控制系统接收各个手指的压力值，比较各直线电机在指定位置的压力传感器测量值与设定力值的大小，根据手指压力参数、最大压力参数和力的反馈值，控制每个直线电机的运动和/或停止，调整直线电机给予的辅助力的大小程度，最终实现压力传感器的测试值与设定力值一致；
所述直线电机上安装光电编码器实时反馈速度信号；
所述PWM调速器接收控制系统的速度设定值，改变输出的脉冲占空比，调节直线电机的速度。
进一步的，所述控制系统具有人机交互界面，接收输入信息。
进一步的，所述控制系统包括T-S模糊逆模型和模糊控制器，采集速度误差和误差改变量输入T-S模糊逆模型，T-S模糊逆模型的输出值进入模糊控制器，模糊控制器同时接收速度误差和速度误差改变量，输出控制值给直线电机，改变实际速度，同时，不断采集该实际速度，将其和参考速度不断比较，得到新的速度误差。
进一步的，所述掌背平台偏向手指一侧设置有五指近端连接突出轴，五指近端连接突出轴与五指外骨骼手指的机械单元的末端同轴相连。进一步的，所述外骨骼拇指、外骨骼食指、外骨骼中指、外骨骼无名指和外骨骼小指的机械单元均包括近端指套、中间指套、远端指套、近端连杆、旋转轴、第一指节旋转构件、第二指节旋转构件和远端连杆，近端指套、中间指套和远端指套依次同轴相连，且近端指套与掌背平台相接，所述近端连杆的一端和直线电机的推杆顶端相连，另一端与旋转轴的一端、第一指节旋转构件同轴相连；旋转轴另一端的孔与掌背平台上五指突出支撑轴相连，同轴旋转；第一指节旋转构件下端与近端指套上端相连，同时与第二指节旋转构件相连；第二指节旋转构件的中段位置孔与中间指套上端相连，同时与远端连杆相连；远端连杆与远端指套上端相连。
进一步的，当直线电机向前运动时，带动近端连杆向前运动，与同轴的旋转轴向前旋转，限制了第一指节旋转构件、近端指套的下降范围；直线电机向前运动时，整体外骨骼手指向内弯曲，直线电机向后运动时，整体外骨骼手指向外伸展，从而通过直线电机的运动实现五指独立屈曲伸展，完成抓握。
进一步的，所述控制系统根据设定所要求的手指受力值，启动直线电机完成抓握动作的过程中实时显示力传感器值，达到最终位置后比较力传感器值与设定力值的大小，并且调整直线电机的运动使得力传感器值与设定力值一致。
本发明的第二目的是提供基于上述装置的工作方法，包括以下步骤：
佩戴外骨骼机械手，安装压力传感器，输入患者基本信息，控制系统初始化，设置力值、训练时间等参数；
根据训练时间判断训练是否完成，如果完成，则结束训练，如果没有完成，则控制各个直线电机运行指定路程实现抓握动作；
根据力传感器反馈回来的压力值，判断力传感器值与设定力值是否相等。如果不相等，则根据力传感器值与设定力值对直线电机进行调整，使得力传感器值与设定力值相等；如果相等，则使得直线电机停止一段时间，即直线电机运行指定路程之后保持一段时间的训练动作；
直线电机反向运动指定路程回到起始位置，并继续判断训练是否完成，直到训练结束。
进一步的，分别测量各个手指的压力，将其转换为直线电机应当施加的力，且该施加力为B/A，且A为压力差参数与1的和，B为对应手指的手指压力、压力参数和压力差参数的乘积和反馈开关参数、最大压力参数以及对应手指用力最大时测得的手指压力的乘积之和，利用得到的各个直线电机应当施加的力和速度，进行各直线电机的控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明能辅助患者进行手部康复训练，包括：五指弯曲、五指伸展、四指弯曲、四指伸展、拇指对掌、食指单独弯曲、拇指食指对捏；
本发明通过设置外骨骼拇指、外骨骼食指、外骨骼中指、外骨骼无名指和外骨骼小指的机械单元，且每个机械单元对应单独的直线电机，实现各手指能独立进行训练；
本发明设置压力传感器辅助康复训练，显示各手指力值，调动患者训练积极性，能够精确控制施加在各手指上的力的大小，提高康复效果。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为外骨骼康复机械手的系统框图；
图2为外骨骼康复机械手的整体结构；
图3为外骨骼拇指、外骨骼食指、外骨骼中指、外骨骼无名指、外骨骼小指的结构；
图4为手指压力与直线电机施加力关系流程图；
图5为直接改进型模糊逻辑控制器框图
图6为人机交互界面；
图7为训练方法流程图；
其中，1为掌背平台、2为直线电机、3为直线电机固定底座、4为外骨骼拇指、5为外骨骼食指、6为外骨骼中指、7为外骨骼无名指、8为外骨骼小指，9为近端指套、10为中间指套、11为远端指套、12为近端连杆、13为螺丝、14为旋转轴、15为第一指节旋转构件、16为第二指节旋转构件、17为远端连杆、18为五指近端连接突出轴、19为五指突出支撑轴。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
一种典型实施例中，参照图1，设计的外骨骼式的康复机械手，包括控制系统、光电编码器、PWM调速器、直线电机、外骨骼机械手、人机交互界面和压力传感器。
康复训练任务为通过控制系统控制直线电机运动实现佩戴外骨骼机械手的手抓握圆柱形的物体。
在控制界面设定所要求的手指受力值，启动直线电机完成抓握动作的过程中实时显示力传感器值，达到最终位置后比较力传感器值与设定力值的大小，并且调整直线电机的运动使得力传感器值与设定力值一致。
参照图2，外骨骼机械手包括掌背平台1、直线电机2、直线电机固定底座3、外骨骼拇指4、外骨骼食指5、外骨骼中指6、外骨骼无名指7、外骨骼小指8。
5个直线电机2通过直线电机固定底座3固定在掌背平台1上侧面，下侧面通过绷带固定在手上。
5个压力传感器采用压阻式薄膜压力传感器，安装在患者五指远端指节指腹，随绷带固定在外骨骼手指远端指套，测量五个手指所受压力。
参照图3，外骨骼拇指4、外骨骼食指5、外骨骼中指6、外骨骼无名指7、外骨骼小指8结构都是一致的，都包含近端指套9、中间指套10、远端指套11、近端连杆12、螺丝13、旋转轴14、第一指节旋转构件15、第二指节旋转构件16、远端连杆17。掌背平台上包含：18为五指近端连接突出轴、19为五指突出支撑轴。
外骨骼拇指4、外骨骼食指5、外骨骼中指6、外骨骼无名指7、外骨骼小指8的近端连杆12和直线电机2的推杆顶端通过螺丝相连；近端指套9、中间指套10、远端指套11依次通过相应的孔用螺丝同轴相连，且近端指套9与掌背平台上五指近端连接突出轴18相接；近端连杆12另一端与旋转轴14、两个第一指节旋转构件15右端通过孔用螺丝13同轴相连；旋转轴14另一端的孔与掌背平台1上五指突出支撑轴19上圆孔通过螺丝相连，同轴旋转；第一指节旋转构件15下端通过孔用螺丝与近端指套9上端相连，左端通过孔用螺丝与第二指节旋转构件16相连；第二指节旋转构件16的中段位置孔与中间指套10上端用螺丝相连，右端孔用螺丝与远端连杆17孔相连；远端连杆17另一端的孔与远端指套11上端通过螺丝相连；当直线电机2向前运动时，带动近端连杆12向前运动，与螺丝13同轴的旋转轴14向前旋转，限制了第一指节旋转构件15、近端指套9的下降范围；直线电机2向前运动时，整体外骨骼手指向内弯曲，直线电机向后运动时，整体外骨骼手指向外伸展，从而通过直线电机的运动实现五指独立屈曲伸展康复训练任务。
从拇指到小指的力为FN,N＝1-5,(F1,F2,F3,F4,F5)。
参照图4，手指压力FN与直线电机施加力FM的控制策略如下公式：
FMN＝K2N(K1NFN-FMN)+HN·K3NFMAXN (1)
其中，FMAXN为患者手指用力最大时测得的手指压力；K1N为手指压力参数；K2N为压力差参数；HN为力反馈开关(0为关闭，1为开启)；K3N为最大压力参数，通过预设确定，调整直线电机给予的辅助力的大小程度，值范围为0-1。
由公式(1)可以得到FM的计算公式：
特别的，此控制策略通过FN阈值FT触发，其中，
FTN＝K4N·FMAXN (3)
其中，K4N由患者在0-1之间调整，五指包含五个阈值FTN，单独控制五个手指。
对于直线电机，本发明采用直接改进型模糊逻辑控制器和速度控制。参照图5，为直接改进型模糊逻辑控制器框图，包含直线电机、参考模型、学习机制以及模糊控制器，其中，Sref(x)为参考速度，Sact(x)为实际速度，速度误差E(x)为：
E(x)＝Sref(x)-Sact(x) (4)
E(x)相对于E(x-1)的误差改变量Ec(x)为：
Ec(x)＝E(x)-E(x-1) (5)
而Em(x)与Ecm(x)是学习过程中的速度误差和误差改变量，Sm(x)是参考模型输出的速度。
参考模型采用二阶动力学参考模型来确定直线电机的期望性能，其连续时间和离散时间模型采用：
参考模型输出方式如下：
Sm(x)＝σ1m*Sm(x-1)-σ2m*Sm(x-2)+σ3m*Sref(x) (7)
其中，λn是自然频率，δ是阻尼比，σ1m,σ2m,σ3m是λn与δ中的离散模型参数。
模糊系统采用Mamdani型规则库结构，其模糊函数为：
其中，x1,x2,…,xn是输入参数，Bij(xj)(j＝1,2,…,n)是模糊集。
模糊系统前面处理部分与Mamdani方法一致，后续处理部分即输出部分公式如下：
C＝A0+A1*x1+A2*x2+…+An*xn (9)
其中的A0,A1,…,An为初始值为1的待调整模糊参数。
学习机制包括T-S模糊逆模型和知识库修改，是用来修改模糊控制器的参数使得Sact(x)与Sm(x)差值减小。T-S模糊逆模型包含两个输入，即Em(x)与Ecm(x)，通过公式(9)计算得出调整因子C(x)。
模糊控制器采用了高斯隶属函数来表述模糊控制器的模糊规则，设定直线电机控制信号为O(x)，其计算公式如下：
O(x)＝O(x-1)+Δu(x) (10)
其中，Δu(x)为输出改变量，由模糊控制器计算得出。
高斯隶属函数包含函数中心Mi(x)和增益Gi(x)，其数学表达式如下：
其中，M为隶属函数的中心，β表示函数的宽度。
由隶属函数计算模糊控制器输出改变量Δu(x)，采用如下方式：
其中，μi(Δui(x))为隶属函数的输出值。
而知识库修改是实时调整函数中心和增益，方式如下：
Mi(x)＝Mi(x-1)+C(x) (13)
Gi(x)＝Gi(x-1)+C(x) (14)
总的来说，控制系统通过参考模型计算直线电机期望性能发出速度设定值，同时采集实际速度值，分别计算学习机制与模糊控制器的速度误差和误差改变量分别输入到T-S模糊逆模型和模糊控制器。T-S模糊逆模型输出模糊控制器的高斯隶属函数的函数调整量，通过知识库修改来对模糊控制器的参数进行调整，最后由模糊控制器输出控制信号改变直线电机的速度，控制直线电机的运动。
控制系统接收压阻式薄膜压力传感器的数据与5个直线电机的速度数据，控制直线电机的运动。直线电机采用的是速度控制，控制系统接收直线电机反馈出来的速度信号，控制直线电机的运动和停止。
参照图6，设计人机交互界面，包括实时的五指力传感器值显示、实时外骨骼机械手姿势变化窗口、计时。能够使患者直观看到抓握过程中的力的大小。通过直线电机的速度实时计算外骨骼机械手的姿势变化，并且再屏幕中显示。
参照图7，基于上述装置的工作方法，包括以下步骤：
(1)佩戴外骨骼机械手，安装压力传感器，输入患者基本信息，控制系统初始化，设置力值、训练时间等参数；
(2)根据训练时间判断训练是否完成，如果完成，则结束训练，如果没有完成，则进入步骤(3)；
(3)控制5个直线电机运行指定路程实现抓握动作；
(4)根据力传感器反馈回来的压力值，判断力传感器值与设定力值是否相等。如果不相等，则根据力传感器值与设定力值对直线电机进行调整，使得力传感器值与设定力值相等；如果相等，则进入步骤(5)；
(5)直线电机停止3秒，即直线电机运行指定路程之后保持3秒的训练动作；
(6)直线电机反向运动指定路程回到起始位置，并返回步骤(2)；
(7)提示是否进行新的训练，如果是，则返回步骤(1)，如果不是，则结束；
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种具有力反馈机制的外骨骼康复机械手，其特征是：包括控制系统、光电编码器、PWM调速器、直线电机、外骨骼机械手本体和压力传感器，其中：
所述外骨骼机械手本体包括掌背平台，所述掌背平台上的对应位置处依次布设有外骨骼拇指、外骨骼食指、外骨骼中指、外骨骼无名指和外骨骼小指的机械单元，所述直线电机包括五个，且均设置于掌背平台上，每个直线电机单独驱动每个机械单元的运动；
所述压力传感器包括五个，分别设置在使用者五指远端指节指腹，随绷带固定在外骨骼手指远端指套，测量五个手指所受压力；
所述控制系统接收各个手指的压力值，比较各直线电机在指定位置的压力传感器测量值与设定力值的大小，根据手指压力参数、最大压力参数和力的反馈值，控制每个直线电机的运动和/或停止，调整直线电机给予的辅助力的大小程度，最终实现压力传感器的测试值与设定力值一致；
所述直线电机上安装光电编码器实时反馈速度信号；
所述PWM调速器接收控制系统的速度设定值，改变输出的脉冲占空比，调节直线电机的速度。
2.如权利要求1所述的一种具有力反馈机制的外骨骼康复机械手，其特征是：所述控制系统具有人机交互界面，接收输入信息。
3.如权利要求1所述的一种具有力反馈机制的外骨骼康复机械手，其特征是：所述控制系统包括T-S模糊逆模型和模糊控制器，采集速度误差和误差改变量输入T-S模糊逆模型，T-S模糊逆模型的输出值进入模糊控制器，模糊控制器同时接收速度误差和速度误差改变量，输出控制值给直线电机，改变实际速度，同时，不断采集该实际速度，将其和参考速度不断比较，得到新的速度误差。
4.如权利要求1所述的一种具有力反馈机制的外骨骼康复机械手，其特征是：所述掌背平台偏向手指一侧设置有五指近端连接突出轴，五指近端连接突出轴与五指外骨骼手指的机械单元的末端同轴相连。
5.如权利要求1所述的一种具有力反馈机制的外骨骼康复机械手，其特征是：所述外骨骼拇指、外骨骼食指、外骨骼中指、外骨骼无名指和外骨骼小指的机械单元均包括近端指套、中间指套、远端指套、近端连杆、旋转轴、第一指节旋转构件、第二指节旋转构件和远端连杆，近端指套、中间指套和远端指套依次同轴相连，且近端指套与掌背平台上五指近端连接突出轴相接，所述近端连杆的一端和直线电机的推杆顶端相连，另一端与旋转轴的一端、第一指节旋转构件同轴相连；旋转轴另一端的孔与掌背平台上五指突出支撑轴相连，同轴旋转；第一指节旋转构件下端与近端指套上端相连，同时与第二指节旋转构件相连；第二指节旋转构件的中段位置孔与中间指套上端相连，同时与远端连杆相连；远端连杆与远端指套上端相连。
6.如权利要求1所述的一种具有力反馈机制的外骨骼康复机械手，其特征是：当直线电机向前运动时，带动近端连杆向前运动，与同轴的旋转轴向前旋转，限制了第一指节旋转构件、近端指套的下降范围；直线电机向前运动时，整体外骨骼手指向内弯曲，直线电机向后运动时，整体外骨骼手指向外伸展，从而通过直线电机的运动实现五指独立屈曲伸展，完成抓握。
7.如权利要求1所述的一种具有力反馈机制的外骨骼康复机械手，其特征是：所述控制系统根据设定所要求的手指受力值，启动直线电机完成抓握动作的过程中实时显示力传感器值，达到最终位置后比较力传感器值与设定力值的大小，并且调整直线电机的运动使得力传感器值与设定力值一致。
8.如权利要求1所述的一种具有力反馈机制的外骨骼康复机械手，其特征是：所述压力传感器为压阻式薄膜压力传感器。
9.基于如权利要求1-8中任一项所述的机械手的工作方法，其特征是：包括以下步骤：
佩戴外骨骼机械手，安装压力传感器，输入使用者基本信息，控制系统初始化，设置力值、训练时间等参数；
根据训练时间判断训练是否完成，如果完成，则结束训练，如果没有完成，则控制各个直线电机运行指定路程实现抓握动作；
根据力传感器反馈回来的压力值，判断力传感器值与设定力值是否相等，如果不相等，则根据力传感器值与设定力值对直线电机进行调整，使得力传感器值与设定力值相等；如果相等，则使得直线电机停止一段时间，即直线电机运行指定路程之后保持一段时间的训练动作；
直线电机反向运动指定路程回到起始位置，并继续判断训练是否完成，直到训练结束。
10.如权利要求9所述的工作方法，其特征是：分别测量各个手指的压力，将其转换为直线电机应当施加的力，且该施加力为B/A，且A为压力差参数与1的和，B为对应手指的手指压力、压力参数和压力差参数的乘积和反馈开关参数、最大压力参数以及对应手指用力最大时测得的手指压力的乘积之和，利用得到的各个直线电机应当施加的力和速度，进行各直线电机的控制。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810575079.9A CN108670412B (zh) | 2018-06-05 | 2018-06-05 | 一种具有力反馈机制的外骨骼康复机械手及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810575079.9A CN108670412B (zh) | 2018-06-05 | 2018-06-05 | 一种具有力反馈机制的外骨骼康复机械手及方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108670412A true CN108670412A (zh) | 2018-10-19 |
| CN108670412B CN108670412B (zh) | 2019-05-21 |
Family
ID=63810086
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201810575079.9A Active CN108670412B (zh) | 2018-06-05 | 2018-06-05 | 一种具有力反馈机制的外骨骼康复机械手及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108670412B (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109646156A (zh) * | 2018-12-19 | 2019-04-19 | 南京航空航天大学 | 一种外骨骼康复手套 |
| CN113180993A (zh) * | 2021-03-12 | 2021-07-30 | 上海健康医学院 | 基于力反馈的外骨骼手康复训练系统、存储介质及终端 |
| CN113397906A (zh) * | 2021-05-07 | 2021-09-17 | 中国科学院深圳先进技术研究院 | 康复辅助手套 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101524297A (zh) * | 2009-03-20 | 2009-09-09 | 武汉大学 | 一种外骨骼机械手及其使用方法 |
| CN101897643A (zh) * | 2009-05-26 | 2010-12-01 | 香港理工大学 | 帮助用户移动手的可佩戴式助力设备 |
| US20130226350A1 (en) * | 2012-02-29 | 2013-08-29 | The U.S.A. As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Control of a glove-based grasp assist device |
| CN103558786A (zh) * | 2013-10-31 | 2014-02-05 | 哈尔滨工业大学 | 基于嵌入Android移动终端及FPGA的手部功能康复机器人人机交互控制系统 |
| CN103767856A (zh) * | 2014-01-24 | 2014-05-07 | 西安交通大学 | 一种穿戴式五手指康复机械手 |
| KR20170086238A (ko) * | 2016-01-18 | 2017-07-26 | 울산과학기술원 | 착용형 손 재활장치 |
| CN107260490A (zh) * | 2017-07-12 | 2017-10-20 | 合肥工业大学 | 一种外骨骼式康复机械手 |
-
2018
- 2018-06-05 CN CN201810575079.9A patent/CN108670412B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101524297A (zh) * | 2009-03-20 | 2009-09-09 | 武汉大学 | 一种外骨骼机械手及其使用方法 |
| CN101897643A (zh) * | 2009-05-26 | 2010-12-01 | 香港理工大学 | 帮助用户移动手的可佩戴式助力设备 |
| US20130226350A1 (en) * | 2012-02-29 | 2013-08-29 | The U.S.A. As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Control of a glove-based grasp assist device |
| CN103558786A (zh) * | 2013-10-31 | 2014-02-05 | 哈尔滨工业大学 | 基于嵌入Android移动终端及FPGA的手部功能康复机器人人机交互控制系统 |
| CN103767856A (zh) * | 2014-01-24 | 2014-05-07 | 西安交通大学 | 一种穿戴式五手指康复机械手 |
| KR20170086238A (ko) * | 2016-01-18 | 2017-07-26 | 울산과학기술원 | 착용형 손 재활장치 |
| CN107260490A (zh) * | 2017-07-12 | 2017-10-20 | 合肥工业大学 | 一种外骨骼式康复机械手 |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109646156A (zh) * | 2018-12-19 | 2019-04-19 | 南京航空航天大学 | 一种外骨骼康复手套 |
| CN109646156B (zh) * | 2018-12-19 | 2021-02-12 | 南京航空航天大学 | 一种外骨骼康复手套 |
| CN113180993A (zh) * | 2021-03-12 | 2021-07-30 | 上海健康医学院 | 基于力反馈的外骨骼手康复训练系统、存储介质及终端 |
| CN113397906A (zh) * | 2021-05-07 | 2021-09-17 | 中国科学院深圳先进技术研究院 | 康复辅助手套 |
| CN113397906B (zh) * | 2021-05-07 | 2022-04-19 | 中国科学院深圳先进技术研究院 | 康复辅助手套 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108670412B (zh) | 2019-05-21 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN106074089B (zh) | 一种双手跟踪式手指康复机器人系统 | |
| CN108670412B (zh) | 一种具有力反馈机制的外骨骼康复机械手及方法 | |
| CN109091819A (zh) | 上肢康复机器人控制系统 | |
| CN110653817B (zh) | 一种基于神经网络的外骨骼机器人助力控制系统与方法 | |
| Lee et al. | Sensory and intrinsic coordination of movement | |
| Zollo et al. | Quantitative evaluation of upper-limb motor control in robot-aided rehabilitation | |
| CN105213153A (zh) | 基于脑肌信息变阻抗的下肢康复机器人控制方法 | |
| CN107753241B (zh) | 一种下肢康复治疗智能外骨骼机器人的控制方法 | |
| CN107469295B (zh) | 一种基于位置的康复机器人主动意图识别方法 | |
| CN108969294B (zh) | 一种五指独立运动的外骨骼康复机械手装置及方法 | |
| CN110742775A (zh) | 基于力反馈技术的上肢主被动康复训练机器人系统 | |
| CN109091818A (zh) | 基于导纳控制的绳牵引上肢康复机器人的训练方法及系统 | |
| CN109330819B (zh) | 主从式上肢外骨骼康复机器人控制系统及其控制方法 | |
| CN107233190B (zh) | 一种用于偏瘫患者的多自由度拇指康复训练装置 | |
| CN205198906U (zh) | 一种用于辅助健身的运动模式纠正系统 | |
| CN106974795A (zh) | 一种欠驱动上肢康复机器人控制系统 | |
| CN109528439A (zh) | 一种促通式膝关节屈伸功能康复训练装置 | |
| CN107753242A (zh) | 一种缓解腕关节痉挛的镜像装置 | |
| CN209220852U (zh) | 肘关节训练适配件及肘关节康复训练设备 | |
| CN110141455A (zh) | 一种复合控制系统的可穿戴式手部康复装置 | |
| CN104922879A (zh) | 基于呼吸困难度反馈的机器人肺康复训练系统 | |
| CN102600031A (zh) | 一种治疗康复系统 | |
| Chen et al. | Soft exoskeleton glove for hand assistance based on human-machine interaction and machine learning | |
| CN116270150A (zh) | 一种适用于变刚度膝关节康复外骨骼的控制方法 | |
| CN113995629A (zh) | 基于镜像力场的上肢双臂康复机器人导纳控制方法及系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |