CN109289167A - 一种穿戴式外骨骼手部康复训练机器系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种穿戴式外骨骼手部康复训练机器系统及方法，包括运动控制模块、人机交互模块、推杆电机和手部康复机器人，能在日常生活辅助使用的轻型化穿戴式外骨骼式智能化手功能训练，通过对拇指和四指运动控制，使其运动符合正常人手抓握运动规律，完成对手功能障碍患者进行手部康复训练，并设置有主动康复模式、被动康复模式和手动康复模式三种模式，方便根据需要进行选择，使用方便，便于广泛推广，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种穿戴式外骨骼手部康复训练机器系统及方法，属于康复训练技术领域。
背景技术
我国针对如何提高国内现行残疾人康复辅助器具技术水平，满足用户不同需要，提出了很高的要求。
但是，目前国内只有不到需求人数25％的残疾人士人享受到各类型的假肢服务因此，若实现政府的规划目标，我国假肢服务行业任重而道远，但同样也预示着未来假肢的可观市场。
如何以仿生式灵巧手的深入研究与开发为中心，针对社会中手部重伤术后康复人群开发手部康复外骨骼以帮助弱势群体营造和谐美好世界，是当前急需解决的问题。
发明内容
本发明目的是为了克服现有的如何以仿生式灵巧手的深入研究与开发为中心，针对社会中手部重伤术后康复人群开发手部康复外骨骼以帮助弱势群体营造和谐美好世界的问题。本发明的穿戴式外骨骼手部康复训练机器系统及方法，能在日常生活辅助使用的轻型化穿戴式外骨骼式智能化手功能训练，通过对拇指和四指运动控制，使其运动符合正常人手抓握运动规律，完成对手功能障碍患者进行手部康复训练，并设置有主动康复模式、被动康复模式和手动康复模式三种模式，方便根据需要进行选择，使用方便，便于广泛推广，具有良好的应用前景。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种穿戴式外骨骼手部康复训练机器系统，包括运动控制模块、人机交互模块、推杆电机和手部康复机器人，
所述运动控制模块，包括控制器、传感信息采集电路、电机驱动电路，所述控制器分别与传感信息采集电路、电机驱动电路相连接，
所述控制器用于接收传感信息采集电路实时检测患者施加于手部康复机器人末端的指尖力数据、手部康复机器人的位移数据，进行处理后输出每个指尖的控制信号，并通过电机驱动电路驱动推杆电机控制手部康复机器人进行动作；
所述传感信息采集电路，包括指尖力传感器和角度传感器，所述指尖力传感器用于实时检测患者施加于手部康复机器人末端的指尖力数据；所述角度传感器用于实时检测手部康复机器人的位移数据；
所述推杆电机为五组，用于接收控制器对应指尖的输出控制信号，并控制手部康复机器人各指尖进行康复动作；
所述手部康复机器人为手掌形状，患者将需要康复的手掌插入手掌形状内；
所述运动控制模块与人机交互模块之间通过蓝牙通信模块进行数据通信，所述人机交互模块可通过患者康复需要，患者自行调整。
前述的一种穿戴式外骨骼手部康复训练机器系统，所述运动控制模块，还包括调试电路、RS232串口通信电路、电源电路和看门狗电路，所述调试电路、RS232串口通信电路、电源电路和看门狗电路分别与控制器相连接。
前述的一种穿戴式外骨骼手部康复训练机器系统，所述控制器为STM32F407VET6ARM Cortex-M4内核芯片。
前述的一种穿戴式外骨骼手部康复训练机器系统，所述指尖力传感器为压力薄膜传感器，且型号为CP201，所述压力薄膜传感器贴放在手部康复机器人的指套内。
前述的一种穿戴式外骨骼手部康复训练机器系统，所述压力薄膜传感器AD采样电路与控制器相连接，所述AD采样电路内设置有 AD7927芯片。
前述的一种穿戴式外骨骼手部康复训练机器系统，所述电机驱动电路内设置有H桥驱动芯片MPC17510。
一种穿戴式外骨骼手部康复训练机器方法，包括主动康复模式、被动康复模式和手动康复模式，
所述主动康复模式，包括以下步骤，
(A1)，患者对手部康复机器人进行手指穿戴，将患者的手指指端放入手部康复机器人的指端套内并捆绑，将患者的腕部与手部康复机器人的腕部托架捆绑，手掌与手掌托架捆绑，完成穿戴；
(A2)，在人机交互模块中，患者在操作界面上选择主动，进入主动操作界面，患者主动的伸展和弯曲手指，手部康复机器人进行自动跟踪并适应患者的运动状态；
(A3)，通过阻抗模型以及指尖力信号数据的输入，实时规划手部康复机器人的运动轨迹，并通过检测手部康复机器人的位置状态θ，获取手部康复机器人的外骨骼手指的实时运动状态参数，从而获得控制变量e(t)；
(A4)，通过控制器以实现手部康复机器人的外骨骼手指实时跟随患者手指运动，实现主动康复模式；
所述被动康复模式，包括以下步骤，
(B1)，患者对手部康复机器人进行手指穿戴，将患者的手指指端放入手部康复机器人的指端套内并捆绑，将患者的腕部与手部康复机器人的腕部托架捆绑，手掌与手掌托架捆绑，完成穿戴；
(B2)，在人机交互模块中，患者在操作界面上选择被动，进入被动操作界面，根据患者的需要配置手部康复机器人康复训练，并根据配置的康复训练，手部康复机器人引导患者进行工作；
(B3)，手部康复机器人通过指尖力传感器检测到的患者的实时指尖力数据，驱动患者手指运动至配置的康复训练的功能位，重复该操作，完成被动康复模式；
所述手动康复模式，包括以下步骤，
(C1)，患者对手部康复机器人进行手指穿戴，将患者的手指指端放入手部康复机器人的指端套内并捆绑，将患者的腕部与手部康复机器人的腕部托架捆绑，手掌与手掌托架捆绑，完成穿戴；
(C2)，在人机交互模块中，患者在操作界面上选择手动，进入手动操作界面，在此界面上操作人员点击界面上控制按键，可控制任一手指，或其组合进行运动训练，按下按键，手指运动，放开按键手指停止运动，根据患者的需求完成手动康复模式。
前述的一种穿戴式外骨骼手部康复训练机器方法，(B3)，手部康复机器人通过指尖力传感器检测到的患者的实时指尖力数据，驱动患者手指运动至配置的康复训练的功能位是基于逆动力学补偿的PD 控制方法实现的。
本发明的有益效果是：本发明的穿戴式外骨骼手部康复训练机器系统及方法，能在日常生活辅助使用的轻型化穿戴式外骨骼式智能化手功能训练，通过对拇指和四指运动控制，使其运动符合正常人手抓握运动规律，完成对手功能障碍患者进行手部康复训练，并设置有主动康复模式、被动康复模式和手动康复模式三种模式，方便根据需要进行选择，使用方便，便于广泛推广，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明的穿戴式外骨骼手部康复训练机器系统的系统框图；
图2是本发明的AD芯片转换电路的电路图；
图3是本发明的MPC17510驱动电路的电路图；
图4是本发明的主动康复模式的控制框图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图，对本发明做进一步说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明的穿戴式外骨骼手部康复训练机器系统，包括运动控制模块、人机交互模块、推杆电机和手部康复机器人，
所述运动控制模块，包括控制器、传感信息采集电路、电机驱动电路，所述控制器分别与传感信息采集电路、电机驱动电路相连接，
所述控制器用于接收传感信息采集电路实时检测患者施加于手部康复机器人末端的指尖力数据、手部康复机器人的位移数据，进行处理后输出每个指尖的控制信号，并通过电机驱动电路驱动推杆电机控制手部康复机器人进行动作；
所述传感信息采集电路，包括指尖力传感器和角度传感器，所述指尖力传感器用于实时检测患者施加于手部康复机器人末端的指尖力数据；所述角度传感器用于实时检测手部康复机器人的位移数据；
所述推杆电机为五组，用于接收控制器对应指尖的输出控制信号，并控制手部康复机器人各指尖进行康复动作；
所述手部康复机器人为手掌形状，患者将需要康复的手掌插入手掌形状内；
所述运动控制模块与人机交互模块之间通过蓝牙通信模块进行数据通信，所述人机交互模块可通过患者康复需要，患者自行调整。
优选的，所述运动控制模块，还包括调试电路、RS232串口通信电路、电源电路和看门狗电路，所述调试电路、RS232串口通信电路、电源电路和看门狗电路分别与控制器相连接，其中，调试电路用于烧录软件；RS232串口通信电路用于蓝牙模块相连接，进行通信；电源电路给整个运动控制模块提供电源；看门狗电路能够在系统崩溃(如静电干扰)时，重新启动控制器，保证整个运动控制模块的正常工作。
优选的，所述控制器为STM32F407VET6ARM Cortex-M4内核芯片，其集成了单周期DSP指令和FPU，并提供最高达168MH的主频和210DMIPS的处理能力。本文采用的STM32F407VGT6芯片采用LQFP100的封装，具有512KB的片上闪存,196k字节的内嵌 SRAM，并且具有相当丰富的外设，包括12个16位定时器、2个32 位定时器、2个DMA控制器(共16个通道)、3个SPI、3个I2C、6 个串口、3个12位ADC、2个12位DAC器等，并提供82个通用I/O 口。
优选的，所述指尖力传感器为压力薄膜传感器，且型号为CP201，所述压力薄膜传感器贴放在手部康复机器人的指套内，CP201为柔性微压力传感器是一种用于实现仿人类皮肤感知功能的人造柔性传感器件，它结合了高灵敏度的柔性纳米功能材料，可以感知微小压力信号或触觉信号，其特点是高灵敏度、响应速度快、低功耗、柔韧性好、检测范围宽、抗干扰性好。参数为：测力范围5mN～10000mN，响应时间＜10ms，压力薄膜传感器AD采样电路与控制器相连接，所述 AD采样电路内设置有AD7927芯片，由于手部康复机器人共有5个压力薄膜传感器，每个传感器输出1路模拟信号，因此一共需要采集 5个通道的模拟信号，本设计选用的是AD7927芯片，它拥有8个模拟输入通道，具有12位转换精度，采样频率为200KSPS，满足使用要求，AD芯片的转换电路如图2所示。
优选的，所述电机驱动电路内设置有H桥驱动芯片MPC17510， MPC17510的驱动的电机电压范围为2-15V，能承受最大电流为3.8A， PWM波最高能承受频率为200kHZ，逻辑输入的高电平为4.7V以上，尺寸大约为6x7mm。输入输出关系为：IN1和IN2输入相应占空比的PWM波，OUT1和OUT2根据相应的逻辑信号输出相应电压信号, 并接到直流伺服电机电压输入端。C5和C7主要为驱动芯片内部电路提供电荷泵。CRES引脚为充电泵储存电容器，提供外部储存电容(电荷泵输出)的连接，也可以用作通过串联限流电阻从外部源提供栅极驱动电压的输入。GIN引脚控制GOUT引脚的输出，当GIN设置为低电平时，GOUT可以为外部MOSFET提供一个驱动信号。当GIN 置为逻辑高电平时，GOUT设置为GND电位。EN用于控制OUT1 和OUT2的输出，只有当EN被使能，OUT1和OUT2才能输出电平，具体电路图如图3所示。
基于上述的穿戴式外骨骼手部康复训练机器系统的手部康复训练机器方法，包括主动康复模式、被动康复模式和手动康复模式，
所述主动康复模式，控制框图，如图4所示，包括以下步骤，
(A1)，患者对手部康复机器人进行手指穿戴，将患者的手指指端放入手部康复机器人的指端套内并捆绑，将患者的腕部与手部康复机器人的腕部托架捆绑，手掌与手掌托架捆绑，完成穿戴；
(A2)，在人机交互模块中，患者在操作界面上选择主动，进入主动操作界面，患者主动的伸展和弯曲手指，手部康复机器人进行自动跟踪并适应患者的运动状态；
(A3)，通过阻抗模型以及指尖力信号数据的输入，实时规划手部康复机器人的运动轨迹，并通过检测手部康复机器人的位置状态θ，获取手部康复机器人的外骨骼手指的实时运动状态参数，从而获得控制变量e(t)；
(A4)，通过控制器以实现手部康复机器人的外骨骼手指实时跟随患者手指运动，实现主动康复模式；
所述被动康复模式，包括以下步骤，
(B1)，患者对手部康复机器人进行手指穿戴，将患者的手指指端放入手部康复机器人的指端套内并捆绑，将患者的腕部与手部康复机器人的腕部托架捆绑，手掌与手掌托架捆绑，完成穿戴；
(B2)，在人机交互模块中，患者在操作界面上选择被动，进入被动操作界面，根据患者的需要配置手部康复机器人康复训练，并根据配置的康复训练，手部康复机器人引导患者进行工作；
(B3)，手部康复机器人通过指尖力传感器检测到的患者的实时指尖力数据，驱动患者手指运动至配置的康复训练的功能位，重复该操作，完成被动康复模式；
所述手动康复模式，包括以下步骤，
(C1)，患者对手部康复机器人进行手指穿戴，将患者的手指指端放入手部康复机器人的指端套内并捆绑，将患者的腕部与手部康复机器人的腕部托架捆绑，手掌与手掌托架捆绑，完成穿戴；
(C2)，在人机交互模块中，患者在操作界面上选择手动，进入手动操作界面，在此界面上操作人员点击界面上控制按键，可控制任一手指，或其组合进行运动训练，按下按键，手指运动，放开按键手指停止运动，根据患者的需求完成手动康复模式。
优选的，(B3)，手部康复机器人通过指尖力传感器检测到的患者的实时指尖力数据，驱动患者手指运动至配置的康复训练的功能位是基于逆动力学补偿的PD控制方法实现的。
综上所述，本发明的穿戴式外骨骼手部康复训练机器系统及方法，能在日常生活辅助使用的轻型化穿戴式外骨骼式智能化手功能训练，通过对拇指和四指运动控制，使其运动符合正常人手抓握运动规律，完成对手功能障碍患者进行手部康复训练，并设置有主动康复模式、被动康复模式和手动康复模式三种模式，方便根据需要进行选择，使用方便，便于广泛推广，具有良好的应用前景。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种穿戴式外骨骼手部康复训练机器系统，其特征在于：包括运动控制模块、人机交互模块、推杆电机和手部康复机器人，
所述运动控制模块，包括控制器、传感信息采集电路、电机驱动电路，所述控制器分别与传感信息采集电路、电机驱动电路相连接，
所述控制器用于接收传感信息采集电路实时检测患者施加于手部康复机器人末端的指尖力数据、手部康复机器人的位移数据，进行处理后输出每个指尖的控制信号，并通过电机驱动电路驱动推杆电机控制手部康复机器人进行动作；
所述传感信息采集电路，包括指尖力传感器和角度传感器，所述指尖力传感器用于实时检测患者施加于手部康复机器人末端的指尖力数据；所述角度传感器用于实时检测手部康复机器人的位移数据；
所述推杆电机为五组，用于接收控制器对应指尖的输出控制信号，并控制手部康复机器人各指尖进行康复动作；
所述手部康复机器人为手掌形状，患者将需要康复的手掌插入手掌形状内；
所述运动控制模块与人机交互模块之间通过蓝牙通信模块进行数据通信，所述人机交互模块可通过患者康复需要，患者自行调整。
2.根据权利要求1所述的一种穿戴式外骨骼手部康复训练机器系统，其特征在于：所述运动控制模块，还包括调试电路、RS232串口通信电路、电源电路和看门狗电路，所述调试电路、RS232串口通信电路、电源电路和看门狗电路分别与控制器相连接。
3.根据权利要求1所述的一种穿戴式外骨骼手部康复训练机器系统，其特征在于：所述控制器为STM32F407VET6 ARM Cortex-M4内核芯片。
4.根据权利要求1所述的一种穿戴式外骨骼手部康复训练机器系统，其特征在于：所述指尖力传感器为压力薄膜传感器，且型号为CP201，所述压力薄膜传感器贴放在手部康复机器人的指套内。
5.根据权利要求4所述的一种穿戴式外骨骼手部康复训练机器系统，其特征在于：所述压力薄膜传感器AD采样电路与控制器相连接，所述AD采样电路内设置有AD7927芯片。
6.根据权利要求1所述的一种穿戴式外骨骼手部康复训练机器系统，其特征在于：所述电机驱动电路内设置有H桥驱动芯片MPC17510。
7.一种穿戴式外骨骼手部康复训练机器方法，其特征在于：包括主动康复模式、被动康复模式和手动康复模式，
所述主动康复模式，包括以下步骤，
（A1），患者对手部康复机器人进行手指穿戴，将患者的手指指端放入手部康复机器人的指端套内并捆绑，将患者的腕部与手部康复机器人的腕部托架捆绑，手掌与手掌托架捆绑，完成穿戴；
（A2），在人机交互模块中，患者在操作界面上选择主动，进入主动操作界面，患者主动的伸展和弯曲手指，手部康复机器人进行自动跟踪并适应患者的运动状态；
（A3），通过阻抗模型以及指尖力信号数据的输入，实时规划手部康复机器人的运动轨迹，并通过检测手部康复机器人的位置状态θ，获取手部康复机器人的外骨骼手指的实时运动状态参数，从而获得控制变量e(t)；
（A4），通过控制器以实现手部康复机器人的外骨骼手指实时跟随患者手指运动，实现主动康复模式；
所述被动康复模式，包括以下步骤，
（B1），患者对手部康复机器人进行手指穿戴，将患者的手指指端放入手部康复机器人的指端套内并捆绑，将患者的腕部与手部康复机器人的腕部托架捆绑，手掌与手掌托架捆绑，完成穿戴；
（B2），在人机交互模块中，患者在操作界面上选择被动，进入被动操作界面，根据患者的需要配置手部康复机器人康复训练，并根据配置的康复训练，手部康复机器人引导患者进行工作；
（B3），手部康复机器人通过指尖力传感器检测到的患者的实时指尖力数据，驱动患者手指运动至配置的康复训练的功能位，重复该操作，完成被动康复模式；
所述手动康复模式，包括以下步骤，
（C1），患者对手部康复机器人进行手指穿戴，将患者的手指指端放入手部康复机器人的指端套内并捆绑，将患者的腕部与手部康复机器人的腕部托架捆绑，手掌与手掌托架捆绑，完成穿戴；
（C2），在人机交互模块中，患者在操作界面上选择手动，进入手动操作界面，在此界面上操作人员点击界面上控制按键，可控制任一手指，或其组合进行运动训练，按下按键，手指运动，放开按键手指停止运动，根据患者的需求完成手动康复模式。
8.根据权利要求1所述的一种穿戴式外骨骼手部康复训练机器方法，其特征在于：（B3），手部康复机器人通过指尖力传感器检测到的患者的实时指尖力数据，驱动患者手指运动至配置的康复训练的功能位是基于逆动力学补偿的PD 控制方法实现的。
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|---|---|---|---|
| CN201810907397.0A CN109289167A (zh) | 2018-08-10 | 2018-08-10 | 一种穿戴式外骨骼手部康复训练机器系统及方法 |
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| CN109289167A true CN109289167A (zh) | 2019-02-01 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113262140A (zh) * | 2021-07-01 | 2021-08-17 | 上海理工大学 | 一种穿戴式多功能颈椎康复动力外骨骼控制系统 |
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2018
- 2018-08-10 CN CN201810907397.0A patent/CN109289167A/zh active Pending
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