CN110251898A - 一种基于力反馈的手腕康复外骨骼的闭环控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明一种基于力反馈的手腕康复外骨骼的闭环控制系统，包括驱动力闭环控制模块、外骨骼和压力传感器；外骨骼包括直线电机和弹簧钢片；外骨骼，通过直线电机驱动弹簧钢片，再由弹簧钢片带动手腕运动；压力传感器，用于采集外骨骼的实际驱动力；驱动力闭环控制模块，用于设定控制周期和期待驱动力，在手腕运动过程中的每个控制周期采集一次实际驱动力；在当前控制周期中，比较期待驱动力和实际驱动力的大小，根据期待驱动力和实际驱动力计算得出直线电机行程增量并叠加至前一个控制周期的直线电机行程量上，作为当前控制周期的直线电机行程量进行输出。本发明能够实现力反馈，使外骨骼的驱动力达到指定的力值大小，减小手腕遭到二次伤害的风险。

Description

一种基于力反馈的手腕康复外骨骼的闭环控制系统
技术领域
本发明涉及康复训练设备，具体涉及一种基于力反馈的手腕康复外骨骼的闭环控制系统。
背景技术
脑卒中，又称“中风”，近年来发病率持续攀升。脑卒中患者常存在肢体运动功能障碍，其中大约有80％的患者患有不同程度的手部运动功能障碍。手腕为手部的主要承力关节，为恢复手腕运动功能，需要对手腕进行持续的多自由度康复运动的物理治疗，由此增加了理疗成本及理疗师的劳动负担，为解决此问题，手腕外骨骼机器人应运而生。但是现有的大部分手腕外骨骼为开环控制方案，不包含力反馈，没有力反馈导致无法监测外骨骼对手腕的施力情况，增加二次伤害的风险。
现有技术中虽然有力闭环控制的腕部康复机器人，但是属于末端牵引式刚性康复机器人，采用旋转电机驱动，旋转中心固定。刚性的康复机器人的缺点表现在体积、重量较大，难以运用于日常的康复治疗当中。最大的缺点是由于结构上的旋转中心固定，导致刚性康复机器人无法完全适应手腕的姿态变化(根据解剖学相关研究，手腕在运动过程中，手腕中心会发生5mm的移动)，增加二次伤害的风险。
发明内容
本发明目的在于针对现有手腕康复外骨骼的不足，提供了一种基于力反馈的手腕康复外骨骼的闭环控制系统，避免二次伤害。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种基于力反馈的手腕康复外骨骼的闭环控制系统，包括控制器、外骨骼和传感器组；传感器组包括压力传感器；控制器包括驱动力闭环控制模块；外骨骼包括直线电机和弹簧钢片；
外骨骼，用于佩戴在患者手臂，通过直线电机驱动弹簧钢片，再由弹簧钢片带动手腕运动；
压力传感器，用于采集外骨骼的实际驱动力并传输给控制器；
驱动力闭环控制模块，用于设定控制周期和期待驱动力Fq，在手腕运动过程中的每个控制周期控制压力传感器采集一次实际驱动力Fs；在当前控制周期中，比较期待驱动力Fq和实际驱动力Fs的大小，根据期待驱动力Fq和实际驱动力Fs差值计算得出直线电机行程增量Δd并叠加至前一个控制周期的直线电机行程量上，作为当前控制周期的直线电机行程量进行输出。
优选的，若期待驱动力Fq比实际驱动力Fs大，则直线电机行程增量Δd为正值，若期待驱动力Fq比实际驱动力Fs小，则直线电机行程增量Δd为负值。
优选的，传感器组还包括倾角传感器，控制器还包括角度闭环控制模块；
倾角传感器，用于采集手腕的姿态角，作为实际角传输给控制器；
角度闭环控制模块，用于设定期待角θq、角度增量Δθ和控制周期，在手腕运动过程的每个控制周期中控制倾角传感器采集一次实际角θs，在当前控制周期中，比较期待角θq与实际角θs的大小，若期待角θq比实际角θs大，则根据角度与直线电机行程量的函数关系计算出与角度增量Δθ相对应的直线电机行程增量并叠加至前一个控制周期的直线电机行程量上，作为当前控制周期的直线电机行程量进行输出，该直线电机行程增量方向与手腕运动的方向相同；若期待角θq比实际角θs小，则根据角度与直线电机行程量的函数关系输出与角度增量Δθ相对应的直线电机行程增量并叠加至前一个控制周期的直线电机行程量上，作为当前控制周期的直线电机行程量进行输出，该直线电机行程增量方向与手腕运动的方向相反。
优选的，控制器还包括助力模块、主动模块和抗阻模块；
助力模块，用于控制外骨骼提供驱动力，使患者手腕进行运动；
主动模块，用于控制外骨骼跟随患者手腕的运动而运动；
抗阻模块，用于控制外骨骼给手腕运动提供阻力。
进一步的，助力模块，用于设定控制周期和期待驱动力Fq，在手腕运动过程中的每个控制周期控制压力传感器采集一次实际驱动力Fs；在当前控制周期中，比较期待驱动力Fq和实际驱动力Fs的大小，分为两种情况：(1)实际驱动力Fs小于期待驱动力Fq，则确定期待驱动力导数Eq，获取前一控制周期的实际驱动力Fs0以及当前控制周期的实际驱动力Fs1，Fs1与Fs0的差值即为实际驱动力导数Es；比较期待驱动力导数Eq与实际驱动力导数Es，根据两者差值计算出直线电机行程增量Δd并叠加至前一个控制周期的直线电机行程量上，作为当前控制周期的直线电机行程量进行输出，该直线电机行程增量Δd为正值；(2)实际驱动力Fs等于或大于期待驱动力Fq，根据期待驱动力Fq和实际驱动力Fs差值计算得出直线电机行程增量Δd并叠加至前一个控制周期的直线电机行程量上，作为当前控制周期的直线电机行程量进行输出，该直线电机行程增量Δd为负值。
进一步的，传感器组还包括倾角传感器，用于采集手腕的姿态角，作为实际角传输给控制器；
主动模块，用于设定控制周期，在运动过程的每个控制周期中控制倾角传感器采集一次实际角θs；在当前控制周期中，获取前一个控制周期的实际角θsb与当前控制周期的实际角θsn，根据θsn与θsb的差值乘上一个比例系数到直线电机行程增量Δd并叠加至前一个控制周期的直线电机行程量上，作为当前控制周期的直线电机行程量进行输出。
进一步的，抗阻模块，用于设定期待阻力Fzq和控制周期，在手腕运动过程中的每个控制周期控制压力传感器采集一次实际阻力Fzs，在当前控制周期中，比较实际阻力Fzs和期待阻力Fzq的大小，若实际阻力Fzs大于期待阻力Fzq，则根据实际阻力Fzs与期待阻力Fzq的差值计算出直线电机行程增量Δd并叠加至前一个控制周期的直线电机行程量上，作为当前控制周期的直线电机行程量进行输出，该直线电机行程增量Δd与手腕运动方向相同；当实际阻力Fzs小于期待阻力Fzq时，将根据实际阻力Fzs与期待阻力Fzq的差值计算出直线电机行程增量Δd并叠加至前一个控制周期的直线电机行程量上，作为当前控制周期的直线电机行程量进行输出，该直线电机行程增量Δd与手腕运动方向相反。
优选的，外骨骼还包括手背架和前臂架；
手背架包括主动部件、传动部件和从动部件，直线电机设置在前臂架上，直线电机的输出端与主动部件连接，用于带动主动部件运动，主动部件运动时能够通过传动部件带动从动部件运动；使用时，从动部件固定在患者手背上，前臂架固定在患者前臂上。
优选的，主动部件为内层，从动部件为外层，传动部件包括第一传力柱和第二传力柱；内层设置于外层内，第一传力柱和第二传力柱对称设置在内层上并从外层穿出；外层上设置有第一承力板、第二承力板、第三承力板和第四承力板；
压力传感器包括第一薄膜压力传感器、第二薄膜压力传感器、第三薄膜压力传感器和第四薄膜压力传感器；第一薄膜压力传感器贴于第一承力板上，第二薄膜压力传感器贴于第二承力板上，第三薄膜压力传感器贴于第三承力板上，第四薄膜压力传感器贴于第四承力板上，第一传力柱位于第一薄膜压力传感器和第三薄膜压力传感器之间，第二传力柱位于第二薄膜压力传感器和第四薄膜压力传感器之间。
进一步的，直线电机包括第二直线电机和第一直线电机，第二直线电机输出端通过第二弹簧钢片与内层连接，第一直线电机输出端通过第一弹簧钢片一端与内层连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明通过增加压力传感器，实现对外骨骼驱动力的监测，能够实现力反馈，通过增加驱动力闭环控制模块，使外骨骼的驱动力达到指定的力值大小，并具有一定的抗干扰能力，当受到环境干扰驱动力变化时，系统及时做出响应，力反馈提高了驱动力的抗干扰性，减小患者手腕遭到二次伤害的风险。同时，相对于旋转电机驱动的腕部康复机器人，本发明涉及到的手腕康复机器人属于柔性外骨骼，由直线电机驱动弹簧钢片从而带动手腕运动，由于弹簧钢片是柔性结构，能够完全适应手腕的姿态变化，从而避免康复过程中二次伤害的风险。本发明采用直线电机就是为了避免手腕旋转中心的固定问题，防止手腕康复过程中出现二次伤害。
进一步的，现有技术针对柔性的手腕外骨骼的控制系统中均没有姿态反馈，导致手腕不能达到预定轨迹所指定的姿态角，降低康复效果；本发明通过设置角闭环控制模块，能够实现姿态角反馈，姿态反馈保证了运动幅度的要求，当受到环境影响发生角度变化，系统可及时做出响应，调整角度，提高康复效果。
进一步的，手腕的运动功能是在康复训练中逐渐恢复的，而现有外骨骼的控制模式却是固定的，导致康复效果不佳。本发明制定渐进式的康复策略包括助力模式、主动模式、抗阻模式；脑卒中患者手腕最开始的状态较为僵硬，无法进行自主运动，需要外骨骼提供助力并在其带动下进行重复的规律运动；当患者恢复一定的运动功能之后，手腕能够克服自身重力带来的阻力进行自主运动，此时应充分发挥患者的主观能动性，让外骨骼跟随手腕的运动；为了保证患者的手腕在日常生活中能够承受一定的负重，康复训练的最后阶段需要外骨骼施加于手腕一定的阻力，让手腕在有阻力的环境下进行抗阻训练。该渐进式康复策略的制定具有科学性、高效性、安全性，提高了患者手腕的恢复速度及效果。
进一步的，本发明采用两个传力柱和四个薄膜压力传感器，能够实现两个自由度驱动时驱动力的监测，两个自由度运动包括掌屈、背伸、内收和外展。
附图说明
图1是本发明控制系统的整体逻辑示意图；
图2是本发明外骨骼以及传感器组Ⅳ的示意图；
图3是本发明手腕外骨骼设备Ⅲ中手背架1的结构示意图；
图4是本发明控制器Ⅱ的示意图；
图5是本发明手机端appⅠ中界面一A的示意图；
图6是本发明手机端appⅠ中界面二B的示意图；
图7是本发明手机端appⅠ中界面三C的示意图；
图8是本发明涉及的行程切片法控制直线电机的速度或者加速度示意图；
图9是本发明涉及的闭环控制方案中的角度闭环控制原理图；
图10是本发明涉及的闭环控制方案中的力闭环控制原理图；
图11是本发明涉及的渐进式康复策略中的助力模式控制原理图；
图12是本发明涉及的渐进式康复策略中的主动模式控制原理图；
图13是本发明涉及的渐进式康复策略中的抗阻模式控制原理图；
图中：Ⅰ-手机端app，Ⅱ-控制器，Ⅲ-手腕康复外骨骼设备，Ⅳ-传感器组；
A-界面一，B-界面二，C-界面三；
1-手背架，2-第二弹簧钢片，3-第一弹簧钢片，4-第二直线电机，5-第一直线电机，6-前臂架，7-第一薄膜压力传感器，8-第二薄膜压力传感器，9-第三薄膜压力传感器，10-第四薄膜压力传感器，11-第一倾角传感器，12-第二倾角传感器，13-内层，14-外层，15-第一传力柱，16-第二传力柱，17-第一承力板，18-第二承力板，19-第三承力板19，20-第四承力板，21-蓝牙模块，22-薄膜压力传感器电阻转电压模块，23-控制芯片，24-封装盒，25-蓝牙连接键，26-速度调节建，27-背伸键，28-内收键，29-平直键，30-外展键，31-掌屈键，32-上下运动键，33-左右运动键，34-复位运动键，35-界面一至二键，36-内收/外展动画区，37-掌屈/背伸动画区，38-姿态监测启动键，39-角度复位键，40-遥感模式启动键，41-角度闭环控制键，42-界面二至一键，43-界面二至三键，44-取消键，45-背伸-30度键，46-复位0度键，47-掌屈30度键，48-内收20度键，49-外展-15度键，50-驱动力动态折线图展示区，51-掌屈力显示框，52-背伸力显示框，53-内收力显示框，54-外展力显示框，55-渐进式康复策略选择键，56-界面三至二建，57-界面三至一建，58-模式复位键，59-遥感模式键，60-主动模式键，61-助力模式键，62-抗阻模式键。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明为一种手腕康复外骨骼设备搭建闭环控制系统，具体制定了闭环控制方案，其中闭环控制方案中包括手腕的角度闭环控制以及外骨骼的驱动力控制，实现手腕姿态及外骨骼驱动力的实时监测，在姿态反馈和力反馈的基础中根据患者手腕的肌肉状态制定渐进式康复策略，该康复策略包括助力模式、主动模式、抗阻模式。
所述的控制系统实现了手腕姿态角的反馈控制及外骨骼驱动力的反馈控制；手腕姿态角的反馈控制要求手腕运动达到指定的角度位置，并具有一定的抗干扰能力；外骨骼驱动力的反馈控制要求外骨骼的驱动力达到指定的力值大小，并具有一定的抗干扰能力。
所述的控制系统在实现了手腕姿态角的反馈控制及外骨骼驱动力的反馈控制的基础上制定渐进式的康复策略。该渐进式的康复策略包括助力模式、主动模式、抗阻模式。助力模式下，患者无法自主进行手腕康复运动，需要在外骨骼提供一定的助力下进行康复运动；主动模式下，外骨骼不提供助力或者阻力仅跟随患者手腕的运动而运动；抗阻模式下，外骨骼给手腕康复运动提供阻力，增加康复训练的强度。
在本发明中手腕运动包括两个自由度。其中一个自由度称为掌屈/背伸，手腕向掌心内弯曲称为掌屈，手腕向手背弯曲称为背伸；另一个自由度称为内收/外展，手腕向身体内部弯曲称为内收，手腕向身体外部弯曲称为外展。掌屈及内收方向的姿态角规定为正，背伸及外展方向的姿态角规定为负。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步地说明：
参照图1，本发明的闭环控制系统中包括手机端appⅠ、控制器Ⅱ、外骨骼和传感器组Ⅳ。其中传感器组Ⅳ布置于外骨骼上并将测得的传感器信息传输给控制器Ⅱ；手机端appⅠ通过蓝牙与控制器Ⅱ进行通讯，手机端appⅠ可发送控制指令至控制器Ⅱ，同时控制器Ⅱ可将获得的传感器信息发送至手机端appⅠ。
参照图2和图3，所述的外骨骼包括手背架1、前臂架6、第二直线电机4、第一直线电机5、第二弹簧钢片2和第一弹簧钢片3。手背架1设计为内外层结构，包括内层13和外层14，其中内层13设置于外层14的内部，内层13上设置有第一传力柱15和第二传力柱16，第一传力柱15和第二传力柱16分别从外层14的第一出口和第二出口穿出；外层14第一出口边缘上设置有第一承力板17和第三承力板19，外层14第二出口边缘上设置有第二承力板18和第四承力板20；第一传力柱15位于第一承力板17和第三承力板19之间；第二传力柱16位于第二承力板18和第四承力板20之间。
外层14上还开设有驱动开口，第二直线电机4和第一直线电机5均固定于前臂架6上表面上，第二弹簧钢片2一端与第二直线电机4输出端连接，另一端安装在内层13上表面上且位于外层14驱动开口处，第一弹簧钢片3一端与第一直线电机5输出端连接，另一端安装在内层13上表面上且位于外层14驱动开口处，且第二弹簧钢片2和第一弹簧钢片3平行设置。
所述的传感器组Ⅳ包括两个倾角传感器，用于姿态反馈，分别为第一倾角传感器11以及第二倾角传感器12；还包括四个薄膜压力传感器，用于力反馈，分别为第一薄膜压力传感器7、第二薄膜压力传感器8、第三薄膜压力传感器9和第四薄膜压力传感器10。
参照图2、图3，在倾角传感器的布置方案中，第一倾角传感器11安装于外层14上表面上，第二倾角传感器12安装于前臂架6上表面上，两倾角传感器输出值之差即为手腕的姿态角，即实际角，倾角传感器将采集的实际角信息传送给控制器Ⅱ。第一薄膜压力传感器7贴于第一承力板17上，第二薄膜压力传感器8贴于第二承力板18上，第三薄膜压力传感器9贴于第三承力板19上，第四薄膜压力传感器10贴于第四承力板20上，第一传力柱15位于第一薄膜压力传感器7和第三薄膜压力传感器9之间，第二传力柱16位于第二薄膜压力传感器8和第四薄膜压力传感器10之间，第一传力柱15与第一薄膜压力传感器7和第三薄膜压力传感器9之间分别存在0.5-0.8mm间隙；第二传力柱16与第二薄膜压力传感器8和第四薄膜压力传感器10之间分别存在0.5-0.8mm间隙。第一薄膜压力传感器7、第二薄膜压力传感器8、第三薄膜压力传感器9和第四薄膜压力传感器10将采集的数据传送给控制器Ⅱ，控制器Ⅱ中的控制芯片计算得到实际驱动力。
使用时，外层14通过手套固定于手背上，前臂架6通过手套固定于患者前臂上，从佩戴者角度看，第一直线电机5和第二直线电机4分别位于前臂架6的左侧和右侧，第一传力柱15和第二传力柱16分别位于手背架1的左侧和右侧，第一承力板17和第三承力板19分别位于手背架1的左前部和左后部，第二承力板18和第四承力板20分别位于手背架1的右前部和右后部，外层14的第一出口和第二出口分别位于驱动开口左侧和右侧。第二弹簧钢片2由第二直线电机4驱动，第一弹簧钢片3由第一直线电机5驱动，内层13通过第二弹簧钢片2与第一弹簧钢片3直接驱动。当内层13运动时，第一传力柱15和第二传力柱16运动，当第一传力柱15和第二传力柱16与第一薄膜压力传感器7、第二薄膜压力传感器8、第三薄膜压力传感器9和第四薄膜压力传感器10中的任一两者接触时，进行力的传动，带动外层14一起进行相应的运动。
参照图2，在本发明中外骨骼的驱动力包括四个方向，分别称为掌屈力、背伸力、内收力和外展力。当进行掌屈运动时，第二直线电机4和第一直线电机5同时向前驱动，第一传力柱15和第二传力柱16分别接触第一薄膜压力传感器7和第二薄膜压力传感器8，掌屈力为第一薄膜压力传感器7和第二薄膜压力传感器8输出力值之和，反应掌屈运动时外骨骼的主要驱动力变化；当进行背伸运动时，第二直线电机4和第一直线电机5同时向后驱动，第一传力柱15和第二传力柱16分别接触第三薄膜压力传感器9和第四薄膜压力传感器10，背伸力为第三薄膜压力传感器9和第四薄膜压力传感器10输出力值之和，反应背伸运动时外骨骼的主要驱动力变化。以佩戴在右手为例，当进行内收运动时，第二直线电机4向前驱动，第一直线电机5不工作，第一传力柱15和第二传力柱16分别接触第三薄膜压力传感器9和第二薄膜压力传感器8，内收力为第二薄膜压力传感器8和第三薄膜压力传感器9输出力值之和，反应内收运动时外骨骼的主要驱动力变化。以佩戴在右手为例，当进行外展运动时，第二直线电机4不工作，第一直线电机5向前驱动，第一传力柱15和第二传力柱16分别接触第一薄膜压力传感器7和第四薄膜压力传感器10，外展力为第一薄膜压力传感器7和第四薄膜压力传感器10输出力值之和，反应外展运动时外骨骼的主要驱动力变化。
参照图4，所述的控制器Ⅱ安装于前臂架6上，控制器Ⅱ包括蓝牙模块21、薄膜压力传感器电阻转电压模块22、控制芯片23和封装盒24；其中蓝牙模块21用于手机端appⅠ与控制器Ⅱ的蓝牙通讯，薄膜压力传感器电阻转电压模块22用于将薄膜压力传感器的电阻信号转换为控制芯片23可读的电压信号，控制芯片23为Arduino Mega 2560，通过PWM波电压输出口控制外骨骼中直线电机的行程量以改变手腕的姿态角；蓝牙模块21、薄膜压力传感器电阻转电压模块22和控制芯片23全部放置于封装盒24当中。
控制芯片23包括滑动速度调节模块、驱动模块、角度闭环控制模块、驱动力闭环控制模块、助力模块、主动模块、抗阻模块、PI模块、PD模块。
驱动模块，用于根据接收到的手机端appⅠ的控制指令控制第二直线电机4和第一直线电机5的工作状态，从而控制外骨骼进行掌屈、背伸、内收、外展或平直运动，或者循环进行掌屈运动和背伸运动，或者循环进行内收运动和外展运动。滑动速度调节模块，用于改变第二直线电机4和/或第一直线电机5行程量的变化速度，从而控制手腕运动速度。
角度闭环控制模块，设定的期待角θq、角度增量Δθ和控制周期，在运动过程的每个控制周期中采集一次实际角θs，在当前控制周期中，比较期待角θq与实际角θs的大小，若期待角θq比实际角θs大，则输出角θc增加一个角度增量Δθ，并根据角度与直线电机行程量的函数关系ZD1输出与角度增量Δθ相对应的直线电机行程增量并叠加至前一个控制周期的直线电机行程量上，作为当前控制周期的直线电机行程量进行输出，直线电机行程量与手腕运动的方向相同；若期待角θq比实际角θs小，则输出角θc减小一个角度增量Δθ，并根据角度与直线电机行程量的函数关系ZD1输出与角度增量Δθ相对应的直线电机行程增量并叠加至前一个控制周期的直线电机行程量上，作为当前控制周期的直线电机行程量进行输出，直线电机行程增量与手腕运动的方向相反。
驱动力闭环控制模块，设定控制周期和期待驱动力Fq，在运动过程中的每个控制周期采集一次实际驱动力Fs，在当前控制周期中，比较期待驱动力Fq和实际驱动力Fs的大小，根据期待驱动力Fq和实际驱动力Fs差值计算并输出直线电机行程增量Δd叠加至前一个控制周期的直线电机行程量上，作为当前控制周期的直线电机行程量进行输出；若期待驱动力Fq比实际驱动力Fs大，则当前控制周期相对于前一个控制周期，直线电机行程向手腕运动的正方向增加直线电机行程增量Δd，若期待驱动力Fq比实际驱动力Fs小，则当前控制周期相对于前一个控制周期，直线电机行程向手腕运动的反方向减小直线电机行程增量Δd。
助力模块，设定控制周期和期待驱动力Fq，在运动过程中的每个控制周期采集一次实际驱动力Fs；在当前控制周期中，比较期待驱动力Fq和实际驱动力Fs的大小，分为两种情况：(1)实际驱动力Fs小于期待驱动力Fq，则以力的导数为控制目标，首先确定期待驱动力导数Eq，获取前一控制周期的实际驱动力Fs0以及当前控制周期的实际驱动力Fs1，Fs1与Fs0的差值即为实际驱动力导数Es；接着比较期待驱动力导数Eq与实际驱动力导数Es，根据两者差值计算并输出直线电机行程增量Δd叠加至前一个控制周期的直线电机行程量上，作为当前控制周期的直线电机行程量进行输出，该行程增量Δd为正值。(2)实际驱动力Fs等于或大于期待驱动力Fq，根据期待驱动力Fq和实际驱动力Fs差值计算并输出直线电机行程增量Δd叠加至前一个控制周期的直线电机行程量上，作为当前控制周期的直线电机行程量进行输出，该行程增量Δd为负值。
主动模块，设定控制周期，在运动过程的每个控制周期中采集一次实际角θs；在当前控制周期中，获取前一个控制周期的实际角θsb与当前控制周期的实际角θsn，根据当前控制周期的实际角θsn与前一个控制周期的实际角θsb的差值乘上一个比例系数计算出直线电机行程增量Δd并叠加至前一个控制周期的直线电机行程量上，作为当前控制周期的直线电机行程量进行输出。
抗阻模块，设定期待阻力Fzq和控制周期，在运动过程中的每个控制周期采集一次实际阻力Fzs，在当前控制周期中，比较实际阻力Fzs和期待阻力Fzq的大小，若实际阻力Fzs大于期待阻力Fzq，则根据实际阻力Fzs与期待阻力Fzq的差值计算出直线电机行程增量Δd并叠加至前一个控制周期的行程量上，作为当前控制周期的直线电机行程量进行输出，该行程增量Δd与手腕运动方向相同；当实际阻力Fzs小于期待阻力Fzq时，将实际阻力Fzs与期待阻力Fzq的误差送入另一个PD模块输出直线电机行程增量Δd并叠加至前一个控制周期的直线电机行程量上，作为当前控制周期的直线电机行程量进行输出，该行程增量Δd与手腕运动方向相反。
参照图5、图6、图7，所述的手机端appⅠ可向控制器Ⅱ发出控制指令以控制外骨骼的运动。该手机端appⅠ包括界面一A、界面二B和界面三C。其中在界面一A中，各按键代表的控制指令如下：点击蓝牙连接键25建立起手机端appⅠ与控制芯片23之间的通信，滑动速度调节键26可改变直线电机行程量的变化速度，点击背伸键27使外骨骼带动手腕运动到背伸的极限位置，点击内收键28使外骨骼带动手腕运动到内收的极限位置，点击平直键29使外骨骼带动手腕运动到平直的位置，点击外展键30使外骨骼带动手腕运动到外展的极限位置，点击掌屈键27使外骨骼带动手腕运动到掌屈的极限位置，点击上下运动键32可使直线电机不断重复循环掌屈运动和背伸运动，点击左右运动键33可使直线电机不断重复循环内收运动和外展运动，点击复位运动键34可使直线电机停止重复循环运动并回到手腕平直状态。点击界面一至二键35可进入界面二B；
在界面二B中，各按键代表的控制指令如下：掌屈/背伸动画区37以动画的形式显示手腕在掌屈/背伸自由度的姿态角，内收/外展动画区36以动画的形式显示手腕在内收/外展自由度的姿态角，点击姿态监测启动键38可启动手腕姿态角的监测，点击角度复位键39可使两个自由度的姿态角度清零，点击遥感模式启动键40可启动遥感模式即利用手机倾角改变外骨骼的运动，点击界面二至一键42可进入界面一A，点击界面二至三键43可进入界面三C，点击角度闭环控制键41则进入角度闭环控制区。
在角度闭环控制区各按键代表的控制指令如下：点击取消键44可使外骨骼带动手腕运动到平直的位置，点击背伸-30度键45可控制外骨骼带动手腕运动到背伸30度位置处，点击复位0度键46可控制外骨骼带动手腕运动到0度位置处，点击掌屈30度键47可控制外骨骼带动手腕运动到掌屈30度位置处，点击内收20度键48可控制外骨骼带动手腕运动到内收20度位置处，点击外展15度键49可控制外骨骼带动手腕运动到外展15度位置处。
在界面三C中，各按键代表的控制指令如下：驱动力动态折线图展示区50可以动态折线图的形式动态呈现出掌屈力、背伸力、内收力、外展力的变化，掌屈力显示框51可显示掌屈力的数值，背伸力显示框52可显示背伸力的数值，内收力显示框53可显示内收力的数值，外展力显示框54可显示出外展力的数值，点击界面三至二建56可进入界面二B，界面三至一建57可进入界面一A，点击渐进式康复策略选择键55可进入渐进康复策略选择区，点击主动模式键60启动主动模式，点击助力模式键61启动助力模式，点击抗阻模式键62启动抗阻模式。
手机app具有较高的人机交互性，无需过多的提前学习控制方法即可熟练控制手腕康复外骨骼设备进行康复运动，另外通过app界面以动画或动态折线图的形式将姿态反馈及力反馈信息生动的展现于患者前，可提高患者对康复设备的使用感。
本发明采用的直线电机行程量的控制方法是控制芯片23向直线电机输出0-255占空比的PWM波，其中0-255的占空比线性对应0-100mm的行程量，由于直接输出PWM波只能控制终点行程量，不能控制行程量的变化速度或加速度，本发明提出一种行程切片法控制直线电机的速度或者加速度。参照图8，将一段行程切分为很多段长度较小的行程切片，在两个行程切片之间设置延迟函数delay(time)，每一个控制周期不断叠加一个行程切片进行输出，即Distance1＝distance1+distance0，其中distance1为当前控制周期的输出行程量，distance0为当前控制周期所叠加的行程切片，此时有三种方法可改变直线电机行程量变化的速度或者加速度：(1)保持每个控制周期的行程切片长度不变，改变延迟的时间，即改变了延迟函数前行程切片所对应的控制周期的时间；(2)保持每个控制周期之间的延迟时间不变，即控制周期不变，改变行程切片的长度；(3)既改变每个控制周期之间的延迟时间，又改变每个控制周期的行程切片长度。本发明涉及到的角度闭环控制、力闭环控制及渐进式康复策略的控制方法均是基于第二种方法，保持每个控制周期之间的延迟时间不变，也就是控制周期以及传感器数据采样周期不变，改变每个控制周期行程切片的长度。
参照图9，在手腕的角度闭环控制当中，首先通过实验获得手腕角度与直线电机行程量的函数关系，即给定一个直线电机行程量，采集一个角度，进行多个实验，获得以手腕角度为自变量且直线电机行程量为因变量的一次函数为ZD1，获得的函数为线性函数，即单位角度增量的变化线性对应直线电机单位行程增量的变化；接着测量直线电机行程量变化的速度，即给定一个直线电机行程量，测试直线电机完成行程量所需时间，进行多个实验，求平均值，然后确定单位角度增量变化所需时间并作为控制周期；然后给定一个期待角θq并确定角度增量Δθ为2度；最后在运动过程的每个控制周期中，通过倾角传感器测量实际角θs传送给角度闭环控制模块，在当前控制周期中，角度闭环控制模块比较期待角θq与实际角θs的大小，若期待角θq比实际角θs大，则输出角θc增加一个角度增量Δθ并根据函数ZD1输出与角度增量Δθ相对应的直线电机行程增量并叠加至前一个控制周期的直线电机行程量上，作为当前控制周期的直线电机行程量进行输出，直线电机行程量与手腕运动的正方向方向相同；若期待角θq比实际角θs小，则输出角θc减小一个角度增量Δθ并根据函数ZD1输出与角度增量Δθ相对应的直线电机行程增量并叠加至前一个控制周期的直线电机行程量上，作为当前控制周期的直线电机行程量进行输出，直线电机行程量与手腕运动的正方向方向相反。角度闭环控制可达到的控制效果：实际角θs与期待角θq的误差在两度，具有一定抗干扰能力，当受到环境影响发生角度变化，系统可及时做出响应，调整实际角θs至期待角θq位置。
参照图10，在外骨骼驱动力的闭环控制中，首先通过实验分析外骨骼驱动力与直线电机行程量之间的变化规律，得知外骨骼驱动力和直线电机行程量成线性关系，手腕越运动到极限位置，手腕的阻力越大，外骨骼的驱动力相应的逐渐增大，当驱动力增加到最大值，驱动力保持稳定不再变化；然后根据手腕的最大阻力确定期待驱动力Fq，根据掌屈极限至背伸极限所需时间及内收极限至外展极限所需时间，设定控制周期，本实施例中设定为100ms；最后在运动过程中的每个控制周期，通过薄膜压力传感器测量实际驱动力Fs，在当前控制周期中，比较期待驱动力Fq和实际驱动力Fs的大小，将期待驱动力Fq和实际驱动力Fs差值送入PI模块并输出直线电机行程增量Δd，将直线电机行程增量Δd叠加至前一个控制周期的直线电机行程量上，作为当前控制周期的直线电机行程量进行输出；若期待驱动力Fq比实际驱动力Fs大，则当前控制周期相对于前一个控制周期，直线电机行程向手腕运动的正方向增加直线电机行程增量Δd，若期待驱动力Fq比实际驱动力Fs小，则当前控制周期相对于前一个控制周期，直线电机行程向手腕运动的反方向减小直线电机行程增量Δd。外骨骼驱动力的控制效果：将实际驱动力Fs与期待驱动力Fq的误差控制在1N之内，具有一定抗干扰能力，当受到环境干扰驱动力变化时，系统及时做出响应，调整实际驱动力Fs靠近于期待驱动力Fq。
在外骨骼驱动力的闭环控制中，PI模块采用公式(1)计算直线电机行程增量Δd：
Δd＝kp×(Fq-Fs)+i×E (1)
式中：Δd表示直线电机行程增量；kp表示比例系数；Fq表示期待驱动力；Fs表示实际驱动力；i表示积分系数；E表示累计误差。
直线电机行程增量Δd叠加至前一个控制周期的直线电机行程量上，作为当前控制周期的直线电机行程量进行输出，表示为公式(2)。
d2＝d1+Δd (2)
式中：d2表示当前控制周期输出的直线电机行程量；d1表示前一个控制周期输出的直线电机行程量。
所述的渐进式康复策略的助力模式主要基于力反馈，首先根据直线电机速度确定控制周期，控制周期的时间确定为以下两个时间的最大值的百分之一左右：(1)电机以最快速度使手腕从背伸极限位置运动到掌屈极限位置的时间；(2)电机以最快速度使手腕从外展极限位置运动到内收极限位置的时间。助力模式主要包括两个阶段。(1)参照图11，当实际驱动力Fs在达到期待驱动力Fq之前以力的导数为控制目标，旨在减小力的波动，反映到宏观即是减小外骨骼运动过程中的振动现象。首先确定期待驱动力导数Eq，获取前一控制周期的实际驱动力Fs0以及当前控制周期的实际驱动力Fs1，Fs1与Fs0的差值即为实际驱动力导数Es；接着比较期待驱动力导数Eq与实际驱动力导数Es，将其误差值送入PD模块输出直线电机行程增量Δd以控制直线电机行程量的改变。(2)当实际驱动力Fs达到或大于期待驱动力Fq后，参照图10，采用力的闭环控制方案，旨在保持实际驱动力稳定在期待驱动力附近，具有一定的抗干扰能力。助力模式的控制效果：在实际驱动力Fs达到期待驱动力Fq之前，系统旨在减小力的波动；在实际驱动力Fs达到或大于期待驱动力Fq后，系统旨在保持实际驱动力Fs接近期待驱动力Fq。
助力模式第一个阶段，实际驱动力导数Es计算公式如公式(3)：
Es＝Fs1-Fs0 (3)
式中：Es表示实际驱动力导数；Fs1表示当前控制周期的实际驱动力Fs1；Fs0表示前一控制周期的实际驱动力Fs0。
该阶段的直线电机行程增量Δd计算公式(4)如下：
Δd＝kp×(Eq-Es)+d×(e1-e0) (4)
式中：Δd表示直线电机行程增量；Eq表示期待驱动力导数；kp表示比例系数；d表示微分系数；e1表示当前控制周期的误差；e0表示前一个控制周期的误差。
直线电机行程增量Δd叠加至前一个控制周期的直线电机行程量上，作为当前控制周期的直线电机行程量进行输出，表示为公式(2)。
d2＝d1+Δd (2)
式中：d2表示当前控制周期输出的直线电机行程量；d1表示前一个控制周期输出的直线电机行程量。
参照图12，渐进式康复策略的主动模式主要基于角度反馈，旨在使外骨骼跟随手腕的运动并且不施加助力或者阻力。首先根据直线电机速度确定控制周期，控制周期的时间确定为以下两个时间的最大值的百分之一左右：(1)电机以最快速度使手腕从背伸极限位置运动到掌屈极限位置的时间；(2)电机以最快速度使手腕从外展极限位置运动到内收极限位置的时间。在运动过程的每个控制周期中采集一次实际角θs；在当前控制周期中，获取前一个控制周期的实际角θsb与当前控制周期的实际角θsn，将θsn与θsb的差值乘上比例系数kp得到直线电机行程增量Δd并叠加到前一个控制周期的直线电机行程量上，作为当前控制周期的直线电机行程量进行输出，以改变直线电机当前的位置。
主动模式中，直线电机行程增量Δd计算公式(5)如下：
Δd＝kp×(θsn-θsb) (5)
式中：Δd表示直线电机行程增量；kp表示比例系数；θsn表示当前控制周期的实际角θsn；θsb表示前一个控制周期的实际角θsb。
直线电机行程增量Δd叠加至前一个控制周期的直线电机行程量上，作为当前控制周期的直线电机行程量进行输出，表示为公式(2)。
d2＝d1+Δd (2)
式中：d2表示当前控制周期输出的直线电机行程量；d1表示前一个控制周期输出的直线电机行程量。
参照图13，渐进式康复策略的抗阻模式旨在提高患者的训练强度及效果，首先根据直线电机速度确定控制周期，控制周期的时间确定为以下两个时间的最大值的百分之一左右：(1)电机以最快速度使手腕从背伸极限位置运动到掌屈极限位置的时间；(2)电机以最快速度使手腕从外展极限位置运动到内收极限位置的时间。首先设定期待阻力Fzq，在掌屈运动中实际阻力Fzs等于第三薄膜压力传感器9和第四薄膜压力传感器10输出值的和，在内收运动中实际阻力Fzs等于第一薄膜压力传感器7和第四薄膜压力传感器10输出值的和，由于力是相互的，因此，实际阻力Fzs其实就是患者的主动力。以掌屈运动为例，当实际阻力Fzs大于期待阻力Fzq时，将实际阻力Fzs与期待阻力Fzq的误差送入PD模块得出直线电机行程增量Δd并叠加到前一个控制周期的直线电机行程量上，作为当前控制周期的直线电机行程量进行输出，以改变直线电机的行程量，该直线电机行程增量Δd始终为正，即与手腕运动方向相同，直线电机行程量逐渐增加以跟随手腕的运动。当实际阻力Fzs小于期待阻力Fzq时，将实际阻力Fzs与期待阻力Fzq的误差送入另一个PD模块输出直线电机行程增量Δd并叠加到前一个控制周期的直线电机行程量上，作为当前控制周期的直线电机行程量进行输出，该直线电机行程增量Δd始终为负，即与手腕运动方向相反，直线电机行程量逐渐减小最终将手腕拉回。
抗阻模式中，直线电机行程增量Δd计算公式(6)如下：
Δd＝kp×(Fzs-Fzq)+d×(e1-e0) (6)
式中：Δd表示直线电机行程增量；kp表示比例系数；Fzs表示实际阻力；Fzq表示期待阻力；e1表示当前控制周期的误差；e0表示前一个控制周期的误差。
直线电机行程增量Δd叠加至前一个控制周期的直线电机行程量上，作为当前控制周期的直线电机行程量进行输出，表示为公式(2)。
d2＝d1+Δd (2)
式中：d2表示当前控制周期输出的直线电机行程量；d1表示前一个控制周期输出的直线电机行程量。
本发明实施例采用的直线电机型号为FIRGELLI，直线电动推杆L12-100-100-12-I。

Claims (10)

1.一种基于力反馈的手腕康复外骨骼的闭环控制系统，其特征在于，包括控制器、外骨骼和传感器组；传感器组包括压力传感器；控制器包括驱动力闭环控制模块；外骨骼包括直线电机和弹簧钢片；
外骨骼，用于佩戴在患者手臂，通过直线电机驱动弹簧钢片，再由弹簧钢片带动手腕运动；
压力传感器，用于采集外骨骼的实际驱动力并传输给控制器；
驱动力闭环控制模块，用于设定控制周期和期待驱动力Fq，在手腕运动过程中的每个控制周期控制压力传感器采集一次实际驱动力Fs；在当前控制周期中，比较期待驱动力Fq和实际驱动力Fs的大小，根据期待驱动力Fq和实际驱动力Fs差值计算得出直线电机行程增量Δd并叠加至前一个控制周期的直线电机行程量上，作为当前控制周期的直线电机行程量进行输出。
2.根据权利要求1所述的基于力反馈的手腕康复外骨骼的闭环控制系统，其特征在于，若期待驱动力Fq比实际驱动力Fs大，则直线电机行程增量Δd为正值，若期待驱动力Fq比实际驱动力Fs小，则直线电机行程增量Δd为负值。
3.根据权利要求1所述的基于力反馈的手腕康复外骨骼的闭环控制系统，其特征在于，传感器组还包括倾角传感器，控制器还包括角度闭环控制模块；
倾角传感器，用于采集手腕的姿态角，作为实际角传输给控制器；
角度闭环控制模块，用于设定期待角θq、角度增量Δθ和控制周期，在手腕运动过程的每个控制周期中控制倾角传感器采集一次实际角θs，在当前控制周期中，比较期待角θq与实际角θs的大小，若期待角θq比实际角θs大，则根据角度与直线电机行程量的函数关系计算出与角度增量Δθ相对应的直线电机行程增量并叠加至前一个控制周期的直线电机行程量上，作为当前控制周期的直线电机行程量进行输出，该直线电机行程增量方向与手腕运动的方向相同；若期待角θq比实际角θs小，则根据角度与直线电机行程量的函数关系输出与角度增量Δθ相对应的直线电机行程增量并叠加至前一个控制周期的直线电机行程量上，作为当前控制周期的直线电机行程量进行输出，该直线电机行程增量方向与手腕运动的方向相反。
4.根据权利要求1所述的基于力反馈的手腕康复外骨骼的闭环控制系统，其特征在于，控制器还包括助力模块、主动模块和抗阻模块；
助力模块，用于控制外骨骼提供驱动力，使患者手腕进行运动；
主动模块，用于控制外骨骼跟随患者手腕的运动而运动；
抗阻模块，用于控制外骨骼给手腕运动提供阻力。
5.根据权利要求4所述的基于力反馈的手腕康复外骨骼的闭环控制系统，其特征在于，助力模块，用于设定控制周期和期待驱动力Fq，在手腕运动过程中的每个控制周期控制压力传感器采集一次实际驱动力Fs；在当前控制周期中，比较期待驱动力Fq和实际驱动力Fs的大小，分为两种情况：(1)实际驱动力Fs小于期待驱动力Fq，则确定期待驱动力导数Eq，获取前一控制周期的实际驱动力Fs0以及当前控制周期的实际驱动力Fs1，Fs1与Fs0的差值即为实际驱动力导数Es；比较期待驱动力导数Eq与实际驱动力导数Es，根据两者差值计算出直线电机行程增量Δd并叠加至前一个控制周期的直线电机行程量上，作为当前控制周期的直线电机行程量进行输出，该直线电机行程增量Δd为正值；(2)实际驱动力Fs等于或大于期待驱动力Fq，根据期待驱动力Fq和实际驱动力Fs差值计算得出直线电机行程增量Δd并叠加至前一个控制周期的直线电机行程量上，作为当前控制周期的直线电机行程量进行输出，该直线电机行程增量Δd为负值。
6.根据权利要求4所述的基于力反馈的手腕康复外骨骼的闭环控制系统，其特征在于，传感器组还包括倾角传感器，用于采集手腕的姿态角，作为实际角传输给控制器；
主动模块，用于设定控制周期，在运动过程的每个控制周期中控制倾角传感器采集一次实际角θs；在当前控制周期中，获取前一个控制周期的实际角θsb与当前控制周期的实际角θsn，根据θsn与θsb的差值乘上一个比例系数到直线电机行程增量Δd并叠加至前一个控制周期的直线电机行程量上，作为当前控制周期的直线电机行程量进行输出。
7.根据权利要求4所述的基于力反馈的手腕康复外骨骼的闭环控制系统，其特征在于，抗阻模块，用于设定期待阻力Fzq和控制周期，在手腕运动过程中的每个控制周期控制压力传感器采集一次实际阻力Fzs，在当前控制周期中，比较实际阻力Fzs和期待阻力Fzq的大小，若实际阻力Fzs大于期待阻力Fzq，则根据实际阻力Fzs与期待阻力Fzq的差值计算出直线电机行程增量Δd并叠加至前一个控制周期的直线电机行程量上，作为当前控制周期的直线电机行程量进行输出，该直线电机行程增量Δd与手腕运动方向相同；当实际阻力Fzs小于期待阻力Fzq时，将根据实际阻力Fzs与期待阻力Fzq的差值计算出直线电机行程增量Δd并叠加至前一个控制周期的直线电机行程量上，作为当前控制周期的直线电机行程量进行输出，该直线电机行程增量Δd与手腕运动方向相反。
8.根据权利要求1所述的基于力反馈的手腕康复外骨骼的闭环控制系统，其特征在于，外骨骼还包括手背架(1)和前臂架(6)；
手背架(1)包括主动部件、传动部件和从动部件，直线电机设置在前臂架(6)上，直线电机的输出端与主动部件连接，用于带动主动部件运动，主动部件运动时能够通过传动部件带动从动部件运动；使用时，从动部件固定在患者手背上，前臂架(6)固定在患者前臂上。
9.根据权利要求1所述的基于力反馈的手腕康复外骨骼的闭环控制系统，其特征在于，主动部件为内层(13)，从动部件为外层(14)，传动部件包括第一传力柱(15)和第二传力柱(16)；内层(13)设置于外层(14)内，第一传力柱(15)和第二传力柱(16)对称设置在内层(13)上并从外层(14)穿出；外层(14)上设置有第一承力板(17)、第二承力板(18)、第三承力板(19)和第四承力板(20)；
压力传感器包括第一薄膜压力传感器(7)、第二薄膜压力传感器(8)、第三薄膜压力传感器(9)和第四薄膜压力传感器(10)；第一薄膜压力传感器(7)贴于第一承力板(17)上，第二薄膜压力传感器(8)贴于第二承力板(18)上，第三薄膜压力传感器(9)贴于第三承力板(19)上，第四薄膜压力传感器(10)贴于第四承力板(20)上，第一传力柱(15)位于第一薄膜压力传感器(7)和第三薄膜压力传感器(9)之间，第二传力柱(16)位于第二薄膜压力传感器(8)和第四薄膜压力传感器(10)之间。
10.根据权利要求9所述的基于力反馈的手腕康复外骨骼的闭环控制系统，其特征在于，直线电机包括第二直线电机(4)和第一直线电机(5)，第二直线电机(4)输出端通过第二弹簧钢片(2)与内层(13)连接，第一直线电机(5)输出端通过第一弹簧钢片(3)一端与内层(13)连接。
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