CN114129391B - 一种用于指力训练的悬臂式冗余驱动手功能机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于指力训练的悬臂式冗余驱动手功能机器人，包括手指连杆机构，由单独的第一舵机驱动，且具有多个关节，每个关节由单独的第二舵机驱动；手指连杆机构的指尖位置设有压力传感模块，用于检测与物体交互时的指尖力；肌电采集模块，用于采集佩戴者的肌电信号；控制模块根据肌电信号提取手部运动意图，生成控制信号，控制舵机转动，驱动手指连杆机构的运动；根据连杆运动向量得到指尖实际位置，根据指尖实际位置与指尖目标位置的差值，以及实际指尖力与目标指尖力的差值调整舵机的转矩和转速，直至指尖达到指尖目标位置。保留指尖触觉感知能力，人机交互性强，是一种由患者决定康复训练时间和动作的主动型康复设备。
Description
技术领域
本发明涉及康复机器人技术领域，特别是涉及一种用于指力训练的悬臂式冗余驱动手功能机器人。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
抓握、捏取、精细触觉等是手最主要与独特的功能，不但完成物体抓取还可以进行温度与形状感知，但是许多人因为脑卒中、神经肌肉损伤等疾病导致手功能的丧失，术后要进行长期的康复训练。目前可穿戴式外骨骼已经被证明对康复训练起到有益效果。
现有的外骨骼手功能康复机器人大多只有五到六个自由度，或是只能进行单指康复训练或是只能进行单一模式的抓握训练(圆柱握)，而目前生活中主要有圆柱握、球形握、弓形握三种抓握方式。随着技术手段的不断发展，未来的外骨骼手功能康复机器人应与人工智能相结合，进行智能化控制。手功能康复机器人不应只有单一的功能，而是尽可能全面，既能进行康复训练又能进行多种抓握辅助；手功能康复机器人还应对于所有手部尺寸的患者均适用，并且应具有穿戴舒适的特点。目前并没有一款外骨骼手功能康复机器人可以同时具有智能化、多自由度、多种抓握方式以及人机交互功能。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种用于指力训练的悬臂式冗余驱动手功能机器人，采用基于尺度平均小波变换的卷积神经网络提取表面肌电信号的手部运动意图，将手部运动意图转换为控制信号，驱动手功能机器人完成相应动作，同时根据指尖实际位置与指尖目标位置的差值，以及实际指尖力与目标指尖力的差值对舵机进行调整。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种用于指力训练的悬臂式冗余驱动手功能机器人，包括：手指连杆机构、压力传感模块、肌电采集模块和控制模块；
所述手指连杆机构由单独的第一舵机驱动，且具有多个关节，每个关节由单独的第二舵机驱动；所述手指连杆机构的指尖位置设有压力传感模块，用于检测与物体交互时的指尖力；
所述肌电采集模块，用于采集佩戴者的肌电信号；
所述控制模块，接收指尖力和肌电信号，被配置为根据肌电信号提取手部运动意图，以此生成控制信号，根据控制信号控制第一舵机和第二舵机转动，以驱动手指连杆机构的运动；根据手指连杆机构的运动向量得到指尖实际位置，根据指尖实际位置与指尖目标位置的差值，以及实际指尖力与目标指尖力的差值调整第一舵机和第二舵机的转矩和转速，直至指尖达到指尖目标位置。
作为可选择的实施方式，在所述控制模块中，根据肌电信号提取手部运动意图包括，对肌电信号采用尺度平均小波变换提取特征图，并根据尺度值的变化对特征图进行平均，对特征图采用卷积神经网络进行分类，识别得到手部运动意图。
作为可选择的实施方式，在所述控制模块中，根据手指连杆机构的运动向量得到指尖实际位置包括，建立指尖位置与运动向量间的关系，Pf(xf,yf,zf)为指尖位置坐标，其中：
yf＝y0+l1*sinθ1+l2*sinθ2+l3*cosα*sinθ3+l4*cosθ4
xf＝x0+l3*sinα+l4sinθ4sinα
zf＝z0+l1*cosθ1+l2*cosθ2+l3*cosα*cosθ3+l4sinθ4cosα
其中，l1、l2、l3和l4为连杆长度；θ1、θ2、θ4和α为四个舵机的旋转角度，θ3为连杆结构的弯曲角度；x0、y0、z0为原点坐标。
作为可选择的实施方式，在所述控制模块中，调整第一舵机和第二舵机的转矩和转速时，使用增益系数为k的积分控制器进行调节。
作为可选择的实施方式，所述肌电采集模块采集健侧前臂及手部选定肌肉肌腹部的表面肌电信号。
作为可选择的实施方式，所述手功能机器人还包括掌背平台，所述手指连杆机构设于掌背平台上，包括手指底部连杆、近端指间连杆、远端指间连杆和指尖连杆；
所述手指底部连杆通过连接第一舵机设于掌背平台上，第一舵机与手指底部连杆通过球面杆状关节连接；
所述手指底部连杆与近端指间关节通过锥齿轮模块连接，实现近端指间关节的弯曲伸展功能；
所述近端指间关节与远端指间关节通过第二舵机连接，产生水平面内的旋转自由度，实现手指的打开与并拢；
所述远端指间关节与指尖连杆通过锥齿轮模块连接，实现远端指尖关节的弯曲伸展；
所述指尖连杆上设有压力传感器。
作为可选择的实施方式，所述锥齿轮模块包括：锥齿轮、滚动轴承、连接单元和止动螺丝型紧锁环；所述锥齿轮通过连接单元与第二舵机连接，并通过止动螺丝型紧锁环固定，以改变旋转方向；所述滚动轴承设于锥齿轮与连接单元之间，用于缓冲运动过程中的侧向压力，使锥齿轮在轴心处旋转。
作为可选择的实施方式，所述第一舵机尺寸大于第二舵机。
第二方面，本发明提供一种利用上述的用于指力训练的悬臂式冗余驱动手功能机器人的工作方法，包括：
设定训练动作和训练时间；
提取佩戴者健侧前臂以及手部选定肌肉肌腹部的表面肌电信号，以提取手部运动意图；
提取执行训练动作时的指尖力；
将手部运动意图转化为控制信号，根据控制信号控制第一舵机和第二舵机转动，以驱动手指连杆机构的运动；根据手指连杆机构的运动向量得到指尖实际位置，根据指尖实际位置与指尖目标位置的差值，以及实际指尖力与目标指尖力的差值调整第一舵机和第二舵机的转矩和转速，直至指尖在训练时间内按训练动作达到指尖目标位置。
作为可选择的实施方式，预设安全阈值，判断指尖力是否超过安全阈值，若是，则停止当前训练，否则保持完成训练动作。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的用于指力训练的悬臂式冗余驱动手功能机器人获取佩戴者的肌电信号，采用尺度平均小波变换提取表面肌电信号中的运动特征，采用卷积神经网络进行分类识别，提取手部运动意图，将手部运动意图转换为控制信号，驱动手功能康复机器人完成相应动作，达到主动康复训练的目的，增强人机交互性，保留指尖的触觉感知能力，是一种由患者决定康复训练时间和动作的主动型康复设备，可用于脑卒中以及神经肌肉损伤引起的手功能受损患者的康复训练以及多种模式的抓握辅助。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1提供的用于精确指力训练的悬臂式冗余驱动手功能机器人整体结构图；
图2为本发明实施例1提供的手指连杆机构的具体结构图；
图3为本发明实施例1提供的锥齿轮模块的具体结构图；
图4为本发明实施例1提供的基于尺度平均小波变换的卷积神经网络算法结构图；
图5为本发明实施例1提供的指尖精准位置控制算法结构图；
图6为本发明实施例1提供的手功能康复机器人控制系统整体结构图；
图7为本发明实施例1提供的手功能康复机器人使用流程图；
其中，1、外骨骼小指，2、外骨骼无名指，3、外骨骼中指，4、外骨骼食指，5、掌背平台，6、外骨骼拇指；7、手指底部连杆，8、球面杆状关节，9、第一舵机，10、近端指间连杆，11、锥齿轮模块，12、远端指间连杆13、指尖连杆，14、压力传感器，15、第二舵机，16、锥齿轮，17、滚动轴承，18、连接单元，19、止动螺丝型紧锁环。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明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发明的示例性实施方式。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，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
本实施例提供一种用于精确指力训练的悬臂式冗余驱动手功能机器人，包括：掌背平台，以及设于掌背平台的手指连杆机构、压力传感模块和控制模块；
所述手指连杆机构由单独的第一舵机驱动，且具有多个关节，每个关节由单独的第二舵机驱动；所述手指连杆机构的指尖位置设有压力传感模块，用于检测与物体交互时的指尖力；
所述肌电采集模块，用于采集佩戴者的肌电信号；所述肌电采集模块设于佩戴者的待测位置处，在开始训练时，在佩戴者健侧前臂以及手部选定肌肉肌腹部粘贴肌电采集模块；
所述控制模块，接收指尖力和肌电信号，被配置为根据肌电信号提取手部运动意图，以此生成控制信号，根据控制信号控制第一舵机和第二舵机转动，以驱动手指连杆机构的运动；根据手指连杆机构的运动向量得到指尖实际位置，根据指尖实际位置与指尖目标位置的差值，以及实际指尖力与目标指尖力的差值调整第一舵机和第二舵机的转矩和转速，直至指尖达到指尖目标位置。
在本实施例中，如图1所示，所述手指连杆机构具体为外骨骼小指1、外骨骼无名指2、外骨骼中指3、外骨骼食指4和外骨骼拇指6，每个手指连杆机构由独立的第一舵机9驱动，故在掌背平台5上设有5个第一舵机9，分别控制五个掌指关节的弯曲伸展。
在本实施例中，每个手指连杆机构具有4个自由度，分别为三个弯曲伸展自由度以及一个水平面内的旋转自由度，对应除拇指外四指的4个自由度；对于拇指来说，在解剖学上有5个自由度，而本实施例将掌指关节与腕掌关节的内收外展合并成一个自由度，所以总共20个自由度，可以完成日常生活中绝大部分的动作。
如图2所示为手指连杆机构的具体结构，包括手指底部连杆7、近端指间连杆10、远端指间连杆12、指尖连杆13；外骨骼手指各个关节单元之间嵌套连接，由第二舵机15驱动，实现手指的弯曲、打开、闭合。
具体地，所述手指底部连杆7与第一舵机9镶嵌在掌背平台5上；且第一舵机9与手指底部连杆7之间通过球面杆状关节8相连接，实现在第一舵机9的驱动下手指底部连杆(掌指关节)的弯曲伸展运动；
所述手指底部连杆7与近端指间关节10通过锥齿轮模块11连接，实现近端指间关节10的弯曲伸展功能；
所述近端指间关节10与远端指间关节12通过第二舵机15连接，产生一个水平面内的旋转自由度，实现手指的打开与并拢；
所述远端指间关节12与指尖连杆13通过锥齿轮模块11连接，实现远端指尖关节12的弯曲伸展，实现精确调节指尖姿势的功能；
所述指尖连杆13呈环状套在指尖上，在圆环的上下两侧分布设有两个压力传感器14，与指尖紧密接触，分别检测指腹与指背部的压力，以此在抓握过程中对指尖力进行调节，使其更具人机交互性并且大大增强了安全性。
优选地，每个手指连杆机构上设有3个第二舵机15驱动相应手指的各个关节运动，故共设15个微型舵机，且第一舵机9尺寸大于第二舵机15。
优选地，本实施例的可穿戴外骨骼手功能康复机器人仅固定在手背和指尖上，对五指指尖的位置进行精准调控；且仅由指尖以及手背与手部接触，佩戴方便舒适，并且适用于所有手部尺寸的人。
优选地，所述压力传感器采用Force Sensing Resistors,FSR，FSR(压力传感器)可以作为力反馈保证系统的安全性。
如图3所示为锥齿轮模块11的具体结构图，用于改变旋转轴的旋转方向，同时消除侧向力，避免产生滑脱，增强系统的稳定性；包括：锥齿轮16、滚动轴承17、连接单元18、止动螺丝型紧锁环19；
所述锥齿轮16用于改变旋转轴的旋转方向，通过所述连接单元18与第二舵机15连接；通过所述止动螺丝型紧锁环19固定锥齿轮16，确保锥齿轮16与第二舵机15紧密连接为一个整体。
所述滚动轴承17设于锥齿轮16与连接单元18之间，用于缓冲运动过程中侧向的扰动力，避免产生震荡，使锥齿轮稳定的在轴心处旋转。
在本实施例中，在掌背平台5上还设有蓝牙模块；考虑到设备的便携性，与上位机通信使用蓝牙进行无线通信。该设备可用于脑卒中以及神经肌肉损伤引起的手功能受损患者的康复训练以及抓握辅助，能够进行指尖精准位置以及指尖力调节，人机交互性强，对于患者的康复训练、辅助抓握、感知运动评估等均具有重大意义。
在本实施例中，在掌背平台5上还设有电源模块，为整个手功能康复机器人的各模块提供电源。
在本实施例中，为了达到智能化控制的目的，采用基于尺度平均小波变换的卷积神经网络算法对表面肌电信号进行手部运动意图的提取；患者用健侧肢体做几种不同的训练动作，选取健侧前臂及手部6块肌肉采用无线表面肌电传感器提取表面肌电信号，使用尺度平均小波变换(scale average wavelet transform，SAWT)提取特征图，利用卷积神经网络(Convolutional Neural Networks，CNN)作为分类器，实现手部运动意图的识别，如图4所示；并将提取出的运动意图转换为控制信号，以此控制舵机转动，直至达到目标位置，指尖压力可以作为力反馈保证系统的安全性。
优选地，六块肌肉分别为桡侧腕屈肌(Flexor carpi radialis，FCR)、指浅屈肌(Flexor digitorum superficialis，FDS)、指总伸肌(Extensor digitorum communis，EDC)、掌长肌(Palmaris longus，PL)、拇短展肌(Abductor pollicis brevis，APB)、第一骨间背侧肌(First dorsal interosseous，FDI)。
在本实施例中，采用尺度平均小波变换都表面肌电提取特征图，根据尺度值的变化对尺度图进行平均，可以进一步增强图像的特征，使图像的特征更加突出。令尺度和输入序列的数目为J和N，则尺度平均小波变换定义如下：
其中，k(k＝0，1，2，…，N-1)是时移参数，j是第j个标度参数(j＝1，2，…，J)，n(n＝0，1，2，…，N-1)是母函数和输入的序列号，上述参数都是整数，这种平均方法称为尺度平均小波变换；ψ(n)为母小波函数，x(n)为输入的表面肌电信号。
卷积神经网络的网络结构为两层卷积层、两层池化层(Max Pooling)，以及最后将特征拼接送入全连接层；全连接层采用Relu激活函数：
其中，x为输入神经网络节点的参数。
最后输出分类概率(Softmax)：
其中，zi是要计算的类别i的网络输出，分母是网络所有输出类别之和，k表示类别总数(分类动作总数)，pi代表第i类的概率。
损失函数使用交叉熵损失函数：
其中，yi是类别i的真是标签，pi代表第i类的概率，N为卷积后特征样本总数，k表示类别总数(分类动作总数)。
将提取出运动意图转换为控制信号发送给手功能康复机器人，控制舵机转动使指尖达到目标位置；连杆向量与指尖位置的关系通过如下方式求取：
如图5所示，坐标原点P0，以及中间值P1、P2、P3、P4和指尖位置Pf的坐标如下：
其中，x、y、z分别为空间三维坐标；l1、l2、l3和l4为连杆长度，可以通过直接测量得出；θ1、θ2、θ4和α为四个舵机的旋转角度，θ3为连杆结构的弯曲角度，为固定值，可以通过直接测量得出。
Pf为指尖位置坐标，其中：
yf＝y4＝y0+l1*sinθ1+l2*sinθ2+l3*cosα*sinθ3+l4*cosθ4 (11)
对于xf和zf，通过如下关系式可以解出：
xf＝x4+l4sinθ4sinα＝x0+l3*sinα+l4sinθ4sinα (12)
zf＝z4+l4sinθ4cosα＝z0+l1*cosθ1+l2*cosθ2+l3*cosα*cosθ3+l4sinθ4cosα (13)
从而建立指尖位置与连杆向量间的函数关系，当接收到解码后的手部运动意图，外骨骼手控制指尖达到目标位置。
如图6所示，本实施例根据提取的运动意图，采用全驱动控制方法，通过控制舵机的转矩以及转速，达到以符合人体工效学原理的速度控制指尖达到设定好的目标位置。此外，指尖压力可以作为反馈保证系统的安全性；根据实际位置xe与目标位置xd的差值，以及实际力Fe与目标力Fd之间的差值对舵机位置进行调整，且使用增益系数为k的积分控制器，增强了控制系统的鲁棒性。
xf＝k∫(Fd-Fe)dt (14)
xd＝xd-xe-xf (15)
在本实施例中，手功能康复机器人的使用流程图如图7所示，包括：
开始训练时，将训练好的分类器导入系统，在患者健侧前臂以及手部选定肌肉肌腹部粘贴表面肌电，以提取手部运动意图，在患侧手佩戴手功能康复机器人。
设定训练动作以及训练时间；训练动作包括单指运动、捏取运动、多种抓握运动等。
训练时，健侧手做训练动作，提取表面肌电信号传输至分类器进行识别，将解码后的运动意图转化为控制信号，控制手功能康复机器人带动患侧手做相同动作，达到主动康复训练的目的。
在运动过程中，为了提升安全性，持续不断地检测指尖力，如果指尖力超过设定的安全阈值，舵机立即停止运动，在当前位置进入休眠状态，直至再次接收到运动指令。
当达到设定的训练时间时，完成训练，手功能康复机器人保留指尖的触觉感知，人机交互性强，是一种由患者决定康复训练时间和动作的主动型康复设备，在手功能的康复训练以及辅助抓握中有着重要意义。
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 (8)
1.一种用于指力训练的悬臂式冗余驱动手功能机器人，其特征在于，包括：手指连杆机构、压力传感模块、肌电采集模块和控制模块；
所述手指连杆机构由单独的第一舵机驱动，且具有多个关节，每个关节由单独的第二舵机驱动；所述手指连杆机构的指尖位置设有压力传感模块，用于检测与物体交互时的指尖力；
所述肌电采集模块，用于采集佩戴者的肌电信号；
所述控制模块，接收指尖力和肌电信号，被配置为根据肌电信号提取手部运动意图，以此生成控制信号，根据控制信号控制第一舵机和第二舵机转动，以驱动手指连杆机构的运动；根据手指连杆机构的运动向量得到指尖实际位置，根据指尖实际位置与指尖目标位置的差值，以及实际指尖力与目标指尖力的差值调整第一舵机和第二舵机的转矩和转速，直至指尖达到指尖目标位置；
所述手功能机器人还包括掌背平台，所述手指连杆机构设于掌背平台上，包括手指底部连杆、近端指间连杆、远端指间连杆和指尖连杆；
所述手指底部连杆通过连接第一舵机设于掌背平台上，第一舵机与手指底部连杆通过球面杆状关节连接；
所述手指底部连杆与近端指间关节通过锥齿轮模块连接，实现近端指间关节的弯曲伸展功能；
所述近端指间关节与远端指间关节通过第二舵机连接，产生水平面内的旋转自由度，实现手指的打开与并拢；
所述远端指间关节与指尖连杆通过锥齿轮模块连接，实现远端指尖关节的弯曲伸展；
所述指尖连杆上设有压力传感器；
所述锥齿轮模块包括：锥齿轮、滚动轴承、连接单元和止动螺丝型紧锁环；所述锥齿轮通过连接单元与第二舵机连接，并通过止动螺丝型紧锁环固定，以改变旋转方向；所述滚动轴承设于锥齿轮与连接单元之间，用于缓冲运动过程中的侧向压力，使锥齿轮在轴心处旋转。
2.如权利要求1所述的一种用于指力训练的悬臂式冗余驱动手功能机器人，其特征在于，在所述控制模块中，根据肌电信号提取手部运动意图包括，对肌电信号采用尺度平均小波变换提取特征图，并根据尺度值的变化对特征图进行平均，对特征图采用卷积神经网络进行分类，识别得到手部运动意图。
3.如权利要求1所述的一种用于指力训练的悬臂式冗余驱动手功能机器人，其特征在于，在所述控制模块中，根据手指连杆机构的运动向量得到指尖实际位置包括，建立指尖位置与运动向量间的关系，Pf(xf,yf,zf)为指尖位置坐标，其中：
yf＝y0+l1*sinθ1+l2*sinθ2+l3*cosα*sinθ3+l4*cosθ4
xf＝x0+l3*sinα+l4sinθ4sinα
zf＝z0+l1*cosθ1+l2*cosθ2+l3*cosα*cosθ3+l4sinθ4cosα
其中，l1、l2、l3和l4为连杆长度；θ1、θ2、θ4和α为第一舵机和第二舵机的旋转角度，θ3为连杆结构的弯曲角度；x0、y0、z0为原点坐标。
4.如权利要求1所述的一种用于指力训练的悬臂式冗余驱动手功能机器人，其特征在于，在所述控制模块中，调整第一舵机和第二舵机的转矩和转速时，使用增益系数为k的积分控制器进行调节。
5.如权利要求1所述的一种用于指力训练的悬臂式冗余驱动手功能机器人，其特征在于，所述肌电采集模块采集健侧前臂及手部选定肌肉肌腹部的表面肌电信号。
6.如权利要求1所述的一种用于指力训练的悬臂式冗余驱动手功能机器人，其特征在于，所述第一舵机尺寸大于第二舵机。
7.如权利要求1所述的一种用于指力训练的悬臂式冗余驱动手功能机器人，其特征在于，其工作原理包括：
设定训练动作和训练时间；
提取佩戴者健侧前臂以及手部选定肌肉肌腹部的表面肌电信号，以提取手部运动意图；
提取执行训练动作时的指尖力；
将手部运动意图转化为控制信号，根据控制信号控制第一舵机和第二舵机转动，以驱动手指连杆机构的运动；根据手指连杆机构的运动向量得到指尖实际位置，根据指尖实际位置与指尖目标位置的差值，以及实际指尖力与目标指尖力的差值调整第一舵机和第二舵机的转矩和转速，直至指尖在训练时间内按训练动作达到指尖目标位置。
8.如权利要求7所述的一种用于指力训练的悬臂式冗余驱动手功能机器人，其特征在于，其工作原理还包括，预设安全阈值，判断指尖力是否超过安全阈值，若是，则停止当前训练，否则保持完成训练动作。
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