CN113491622B - 基于仿蜂窝结构的双向驱动器的康复手套制作及控制方法 - Google Patents

基于仿蜂窝结构的双向驱动器的康复手套制作及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于仿蜂窝结构的双向驱动器的康复手套，包括五个仿蜂窝结构的双向驱动器和棉质手套，所述双向驱动器通过魔术扎带固定在手套的背部；所述双向驱动器包括中空的屈曲气囊、中间引导层、中空的伸展气囊三部分组成，所述屈曲气囊呈连续弯曲状态，中间引导层也呈连续弯曲状态，所述屈曲气囊与中间引导层对称设置，所述伸展气囊呈伸直状态设置在中间引导层下方，本发明提供了一种新型的仿蜂窝结构的双向驱动器，可以给患者提供屈曲和伸展两个自由度的康复训练，并且提出了双向驱动器的控制算法，对驱动器进行力控制输出，能够更好的帮助患者尽快恢复手部功能。

Description

基于仿蜂窝结构的双向驱动器的康复手套制作及控制方法
技术领域
本发明属于上肢外骨骼康复机器人领域，具体涉及基于仿蜂窝结构的双向驱动器的康复手套制作及控制方法。
背景技术
手是人类最重要的肢体，由手完成生活中的大部分的日常活动，如：拾取物体，饮水，打招呼等，由脑卒中、帕金森等疾病导致的手功能障碍，严重影响患者的正常生活。传统的病后康复由康复医师完成，医生帮助患者实现肢体的动作引导和辅助运动。由于中国人口老龄化的到来，脑卒中患者逐渐增多，康复医师的数量需求也不断增多。康复机器人是缓解康复问题的主要手段。
柔性外骨骼康复机器人是一种新型的康复机器人，可以帮助患者实现复杂的康复运动及日常生活的辅助功能，是近些年研究的热点。相比于刚性机器人，柔性机器人有柔顺性高、可穿戴性能好，成本低等优点，被视为未来康复机器人的有力手段。基于柔性康复机器人已经开展了一些研究，其中：
专利CN111821144A提出椭圆波纹管弯曲执行器及穿戴式手指屈曲康复装置，通过向椭圆波纹管充气，使驱动器延轴线弯曲，利用波纹管的伸缩性，为驱动器提供输出力。
专利CN112353642提出了非对称腔道接触增加可穿戴软体康复手套，该专利利用腔体上下两层宽度不对称，增加柔性驱动器的输出力，并利用接触垫，减小气腔直接的距离，增加驱动器输出的抓握力。
上述专利都是通过腔体的膨胀，气腔相互之间的挤压输出力，但是它们存在一些问题：但是上述专利还存在一些问题：
1、驱动器的形变及输出力小；
2、康复装置的输出力与工作空间不足驱动器的所需气压大，驱动器的承受气压增大，容易造成驱动器的损坏。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了基于仿蜂窝结构的双向驱动器的康复手套制作及控制方法，提供一种输出力大，所需气压小的柔性双向驱动器，可以给患者提供屈曲和伸展两个自由度的康复训练，帮助患者尽快恢复手部功能。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
基于仿蜂窝结构的双向驱动器的康复手套，包括五个仿蜂窝结构的双向驱动器和棉质手套，所述双向驱动器通过魔术扎带固定在手套的背部；
所述双向驱动器包括屈曲气囊，中间引导层，伸展气囊三部分组成，所述屈曲气囊呈连续弯曲状态，中间引导层也呈连续弯曲状态，所述屈曲气囊与中间引导层对称设置，所述伸展气囊呈伸直状态设置在中间引导层下方。
其中屈曲气囊由上到下是由气嘴一、屈曲气囊上层、气囊间隔层、屈曲气囊下层热压而成，伸展气囊由上到下是由气嘴二、伸展气囊上层、气囊间隔层、伸展气囊下层热压而成。
本发明可以给患者提供屈曲和伸展两个自由度的康复训练，其中：
1、通过伸展驱动器充气增压，可以将驱动器伸直，给患者的手指提供伸展力，
2、通过屈曲气囊充气增压，可以使驱动器上部弯折部分伸直，每一个蜂窝结构的形变叠加，可以使双向驱动器弯曲，给患者的手指提供屈曲力。
具体原理是：
当屈曲气囊充气膨胀时，蜂窝结构的上部分LFE,LED,LDG由于气压的增加形成一条直线LFC，推动两边的引导层向两侧弯曲，假设由于气压的作用，驱动器的直线长度不发生改变，对旋转角度进行求解：
过C点做垂线LGH，垂足点为H点，LDC,LBC可以得到：
Figure BDA0003201911840000021
Figure BDA0003201911840000022
其中，LDB和LBC的初始夹角为：
Figure BDA0003201911840000023
LDB和LBC的旋转后夹角为：
Figure BDA0003201911840000024
由于气囊在充气的过程中相互挤压，保证运动过程中θCBH不变，单个蜂窝结构的旋转角度为：
△DBC＝αDBC-βDBC
双向驱动器的末端输出角度为
θ＝2N*△DBC
其中，N为蜂窝结构的数量。
所述双向驱动器的控制方法：
单个双向驱动器的控制系统由：双向驱动器、力传感器a、力传感器b、气压传感器a、气压传感器b、比例阀a、比例阀b、控制中心、气泵组成。力传感器a安装在双向驱动器的末端与手指接触的部位(手指的末端上方)，力传感器b安装在手指的指腹部位(手指的末端下方)，气囊，气压传感器，比例阀，气泵通过气管连接，比例阀与控制中心通过导线连接。本系统采用PID算法进行系统控制。
采集力传感器a的值为F1，力传感器b的值为F2，气压传感器a的值为P1，气压传感器b的值为P2；比例阀a的设定值为Set1，比例阀b的设定值为Set2；
当运动为屈曲时，驱动器采用气压和力的PID控制算法，设定输出力为SetF1，采用周期为T，每组PID算法有三个需要调节的参数Kp Ki Kd。相应的比例阀的输出为：
ek＝SetF1k-F1k
Figure BDA0003201911840000031
△k＝Setpk-P1k
Figure BDA0003201911840000032
同理，当运动状态为伸展时，驱动器采用气压和力的PID控制算法，设定输出力为SetF2，相应的比例阀的输出为：
ek＝SetF2k-F2k
Figure BDA0003201911840000033
△k＝Setpk-P2k
Figure BDA0003201911840000034
本发明的有益效果为：
1.提出了一种基于双向驱动器的柔性手套，该手套基于双向驱动器，可以给患者屈曲和伸展两个自由度的康复训练。
2.该驱动器采用仿蜂窝结构制作而成，利用气囊轴向的形变使驱动器形变，可以产生更大的输出力和旋转角度。
3.建立了双向驱动器的结构模型，通过确立双向驱动器的参数可以计算得到驱动器末端的选装角度。
4.设计了双向驱动器的控制算法，可以分别在屈曲和伸展两个方向上对双向驱动器进行输出力控制。
附图说明
图1是本发明所述的驱动器气囊拆解示意图；
图2是本发明所述的驱动器气囊示意图；
图3是本发明所述的驱动器拆解示意图；
图4是本发明所述的驱动器加工1示意图；
图5是本发明所述的驱动器加工2示意图；
图6是本发明所述的驱动器伸展状态示意图；
图7是本发明所述的驱动器屈曲状态示意图；
图8是本发明所述的食指穿戴驱动器伸展示意图。
图9是本发明所述的食指穿戴驱动器屈曲示意图。
图10是本发明所述的五指穿戴示意图。
图11是本发明所述的原理框图示意图。
图12是本发明所述的结构分析示意图。
图13是本发明所述的结构分析简化示意图。
图中：1-气嘴一，2-气嘴粘合层，3-气囊上层，4-气囊间隔层，5-气囊下层，6-屈曲气囊上层，7-屈曲气囊下层，8-中间引导层，9-伸展气囊上层，10-伸展气囊下层，11-屈曲气囊，12-气嘴二，13-伸展气囊，14-屈曲气囊弯曲状态，15-中间引导层弯曲状态，16-伸展气囊伸直状态，17-小拇指驱动器，18-无名指驱动器，19-中指驱动器，20-食指驱动器，21-大拇指驱动器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图所示，本发明所述的基于仿蜂窝结构的双向驱动器的康复手套，包括五个仿蜂窝结构的双向驱动器和棉质手套，所述双向驱动器通过魔术扎带固定在手套的背部；
所述双向驱动器包括屈曲气囊11，中间引导层8，伸展气囊13三部分组成，所述屈曲气囊11呈连续弯曲状态，中间引导层8也呈连续弯曲状态，所述屈曲气囊11与中间引导层8对称设置，所述伸展气囊13呈伸直状态设置在中间引导层8下方，形成仿蜂窝结构的双向驱动器。
其中屈曲气囊11由上到下是由气嘴一1、屈曲气囊上层6、气囊间隔层4、屈曲气囊下层7热压而成，内部是中空的，伸展气囊13由上到下是由气嘴二12、伸展气囊上层9、气囊间隔层4、伸展气囊下层10热压而成。
每个气囊由气囊上层3，气囊间隔层4、气囊下层5和气嘴四部分组成，其中，气囊上层3与气囊下层5由织物与TPU材料组成，可以通过热压机将TPU材料融化，将多层TPU材料加工融化在一起，同理，通过加热，将气嘴与气囊上层通过气嘴粘合层2加热融化，气囊间隔层4设置在气囊上层3与气囊下层5之间，气囊间隔层4为中空框架结构，将气囊上层3与气囊下层5热压，可以制成一种中间为镂空的带气嘴的气囊。
本发明可以给患者提供屈曲和伸展两个自由度的康复训练，通过伸展驱动器充气增压，可以将驱动器伸直，给患者的手指提供伸展力，通过屈曲气囊充气增压，可以使驱动器上部弯折部分伸直，每一个蜂窝结构的形变叠加，可以使双向驱动器弯曲，给患者的手指提供屈曲力。
具体原理是：
当屈曲驱动器充气膨胀时，蜂窝结构的上部分LFE,LED,LDG由于气压的增加形成一条直线LFC，推动两边的引导层向两侧弯曲，假设由于气压的作用，驱动器的直线长度不发生改变，对旋转角度进行求解：
过C点做垂线LGH，垂足点为H点，LDC,LBC可以得到：
Figure BDA0003201911840000051
Figure BDA0003201911840000052
其中，LDB和LBC的初始夹角为：
Figure BDA0003201911840000053
LDB和LBC的旋转后夹角为：
Figure BDA0003201911840000054
由于气囊在充气的过程中相互挤压，保证运动过程中θCBH不变，单个蜂窝结构的旋转角度为：
△DBC＝αDBC-βDBC
双向驱动器的末端输出角度为
θ＝2N*△DBC
其中，N为蜂窝结构的数量。
控制方法：
单个双向驱动器的控制系统由：双向驱动器、力传感器a、力传感器b、气压传感器a、气压传感器b、比例阀a、比例阀b、控制中心、气泵组成。力传感器a安装在双向驱动器的末端与手指接触的部位(手指的末端上方)，力传感器b安装在手指的指腹部位(手指的末端下方)，气囊，气压传感器，比例阀，气泵通过气管连接，比例阀与控制中心通过导线连接。本系统采用PID算法进行系统控制。
采集力传感器a的值为F1，力传感器b的值为F2，气压传感器a的值为P1，气压传感器b的值为P2；比例阀a的设定值为Set1，比例阀b的设定值为Set2；
当运动为屈曲时，驱动器采用气压和力的PID控制算法，设定输出力为SetF1，采用周期为T，每组PID算法有三个需要调节的参数Kp Ki Kd。相应的比例阀的输出为：
ek＝SetF1k-F1k
Figure BDA0003201911840000061
△k＝Setpk-P1k
Figure BDA0003201911840000062
同理，当运动状态为伸展时，驱动器采用气压和力的PID控制算法，设定输出力为SetF2，相应的比例阀的输出为：
ek＝SetF2k-F2k
Figure BDA0003201911840000063
△k＝Setpk-P2k
Figure BDA0003201911840000064
本发明所述的基于仿蜂窝结构的双向驱动器的柔性康复手套，提供了一种新型的仿蜂窝结构的双向驱动器，五个仿蜂窝结构的双向驱动器分别对应五个手指，可以给患者提供屈曲和伸展两个自由度的康复训练，提出了双向驱动器的控制算法，对驱动器进行力控制输出，能够更好的帮助患者尽快恢复手部功能。
尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。

Claims (2)

1.基于仿蜂窝结构的双向驱动器的康复手套，其特征在于：包括五个仿蜂窝结构的双向驱动器和棉质手套，所述双向驱动器通过魔术扎带固定在手套的背部；所述双向驱动器包括屈曲气囊，中间引导层，伸展气囊三部分组成，所述屈曲气囊呈连续弯曲状态，中间引导层也呈连续弯曲状态，所述屈曲气囊与中间引导层对称设置，所述伸展气囊呈伸直状态设置在中间引导层下方；其中屈曲气囊由上到下是由气嘴一、屈曲气囊上层、气囊间隔层、屈曲气囊下层热压而成，伸展气囊由上到下是由气嘴二、伸展气囊上层、气囊间隔层、伸展气囊下层热压而成。
2.根据权利要求1所述的基于仿蜂窝结构的双向驱动器的康复手套，其特征在于：所述双向驱动器具体原理是：
所述的仿蜂窝结构的双向驱动器由若干驱动单元依次连接组成，每个驱动单元包含相邻的一个半六边形与一个六边形；由中间引导层与伸展气囊组成半六边形，半六边形以最长的一条边为底；由屈曲气囊和中间引导层形成一个六边形，六边形以一条边为底；为了便于分析，给一个驱动单元中的六边形命名，以六边形的左下角的顶点为起点，逆时针给六边形的六个顶点命名为点A、B、C、D、E、F，其中AB为底边，ED为顶边，F为六边形左边顶点，C为右边顶点；
当屈曲气囊充气膨胀时，双向驱动器运动过程中，每个驱动单元的形变程度相同，以单个驱动单元为例说明，驱动单元中的六边形的上部分FE边、ED边、DC边，由于气压的增加形成一条直线FC边，推动两边的引导层向两侧弯曲，假设由于气压的作用，双向驱动器的直线长度不发生改变，对旋转角度进行求解：
过六边形右侧顶点C点分别向边AB、边ED所在的直线做垂线GH，垂足点为分别为点H、点G，边DC和边BC的长度分别为LDC,LBC，由三角函数得到：
Figure FDA0003532092220000011
Figure FDA0003532092220000012
其中，过点D向边AB所在的直线做垂线DB，垂足点为点B，线段DB和线段BC的初始夹角为αDBC由三角函数得到：
Figure FDA0003532092220000013
线段DB和线段BC的旋转后夹角为βDBC，由三角函数得到：
Figure FDA0003532092220000021
由于气囊在充气的过程中相互挤压，中间导轨层和伸展气囊的形状未发生改变，保证运动过程中边AB和边BC的夹角θCBH不变，所以单个驱动单元的旋转角度ΔDBC表示为：
ΔDBC＝αDBC-βDBC
双向驱动器的末端输出角度θ为
θ＝2N*ΔDBC
其中，N为双向驱动器中六边形数量。
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