本发明属于机器人
技术领域：
，具体涉及一种智能康复训练的机器人手臂。
背景技术：
：康复机器人作为医疗机器人的一个重要分支，它的研究贯穿了康复医学、机械力学、材料科学、计算机科学等诸多学科领域，综合运用装备、电子、传感器、自动化、物联网等技术，已经成为机器人
技术领域：
的重要研究热点。目前，康复机器人广泛地应用到假肢、康复护理和康复训练等方面。世界卫生组织公布的数据，每年超过1500万人受到脑卒中和心脑血管疾病的影响，其中，脑卒中幸存者中85％患有急性上肢功能障碍，康复训练是针对这类病症最有效的方法。中风偏瘫是中老年人的多发病，患者的上肢不容易康复，尤其手部、肘关节、腕关节的功能最难恢复，康复训练可以降低致残率，提高功能恢复几率。临床上对中风患者的康复方法大多数依赖于医师对患者一对一的物理治疗，效果不明显且缺乏量化和客观的评价。因此，研制一种满足患者手臂康复训练的智能化装置具有极大的商业价值和社会意义。康复机器人离不开压力感应检测，机器手抓取、康复训练手臂、步态分析、柔性可穿戴等对压力传感器的柔韧弯曲性能有很高要求。然而，现有压力传感器大多以刚性的半导体硅材料为主，集成在印刷电路板上，显著降低了压力传感器的弯曲伸长特性。已有文献报道，例如cn102274106b中公开了一种康复机器人多功能力矩感知手臂康复装置，由力矩测量机构的左、右中心梁侧面四片应变片组成的全桥电路，经放大电路放大后输出电压值，根据其测量康复训练中主、被动扭矩的大小，实现了力矩的感知。柔性力敏传感器是一种用于感知表面作用力分布的柔性器件，在康复机器人领域有着广泛应用。例如：把柔性力敏传感器贴附在机器人手指上，可以测量手指上夹持力的大小；贴附在运动员身体上，可以测量运动员运动时肌肉伸缩特性，为科学训练提供定量数据；贴附在人的脚底上，可以进行步态分析、步态识别。已有文献报道，例如cn107086268a中公开了一种具有柔性触感功能的薄膜复合材料，以压电陶瓷粉末与导电聚合物粉末共混研磨分散均匀的铺在上下两层聚酰亚胺薄膜之间，获得了具有触感功能的陶瓷材料；聚合物基力敏复合材料是压力传感器的常用敏感材料，传统的力敏复合材料有高填充浓度、低灵敏度的缺点。技术实现要素：1、本发明的目的。本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种智能康复训练的机器人手臂，包含柔性力敏传感器，用于上肢及腕部康复训练，机构简单，适合批量生产。用碳纳米管作为导电填料制备新型力敏材料，实现更好柔韧性和更高灵敏度，将力量信号转换为电信号，实现自动化检测和智能控制。2、本发明的技术方案。一种智能康复训练的机器人手臂，包括把手、上肢托架、伺服电机、支撑臂、滑动臂；各伺服电机之间通过支撑臂相连，驱动三轴康复运动；把手内部为中空结构，隐藏式设置电池、控制器，其中控制器与伺服电机电气连接，输出控制信号，控制器与柔性力敏传感器电气连接，输入检测信号；把手外表面、上肢托架内表面分别装设柔性力敏传感器，其敏感元件为柔性力敏复合材料。更进一步，所述伺服电机包括z轴伺服电机、x轴伺服电机、y轴伺服电机，所述支撑臂包括第一支撑臂、第二支撑臂、第三支撑臂；z轴伺服电机通过第一支撑臂驱动把手绕z轴旋转；x轴伺服电机通过第二支撑臂与z轴伺服电机相连，其中第二支撑臂为l型支撑臂，x轴伺服电机驱动l型支撑臂绕x轴旋转；x轴伺服电机通过第三支撑臂与上肢托架固定相连，其中第三支撑臂为s型；y轴伺服电机固定在上肢托架外表面，其中上肢托架为半圆形，其轴线与y轴伺服电机轴线平行。更进一步，所述滑动臂与上肢托架固定相连，与y轴伺服电机轴线平行；滑动臂与机器人手臂外部的固定架卡槽配合，y轴伺服电机驱动滑动臂在固定架卡槽内滑动。更进一步，所述伺服电机分别通过无缝隙齿轮与支撑臂或滑动臂铰链。更进一步，所述柔性力敏复合材料由7-苯基-1-庚醇改性的羧基石墨化碳纳米管材料、纳米碳化硅粉和三硅醇苯基-笼形聚倍半硅氧烷通过溶液法制备所得；按重量分数计算，7-苯基-1-庚醇改性的羧基石墨化碳纳米管材料1-5重量份，纳米碳化硅粉2-3重量份，三硅醇苯基-笼形聚倍半硅氧烷110重量份。更进一步，所述7-苯基-1-庚醇改性的羧基石墨化碳纳米管材料的制备方法如下：1)将100g羧基石墨化碳纳米管加入到400ml正庚烷/dmf混合溶液中，于45℃下超声分散30min，得羧基石墨化碳纳米管的单分散液；所述正庚烷/dmf混合溶液中按体积比计算，正庚烷:dmf＝3:1-2；超声过程中超声功率为300w；超声分散过程中超声波提供的能量将羧基石墨化碳纳米管剥离开来，形成单分散的羧基石墨化碳纳米管分散液；2)向羧基石墨化碳纳米管的单分散液中加入0.2g浓硫酸，升温至60℃，然后滴加7-10ml浓度为20wt％的7-苯基-1-庚醇的dmf溶液，搅拌2h，然后脱溶、真空干燥得7-苯基-1-庚醇改性的羧基石墨化碳纳米管材料。更进一步，所述羧基石墨化碳纳米管的羧基含量为0.36-1.0wt％，优选为0.61wt％。本发明复合材料导电性最终是由碳纳米管导电网络的性质决定的，当浓度较低时，导电网络也较为稀疏，导电网络结构的变化对总体的影响较大。7-苯基-1-庚醇改性的羧基石墨化碳纳米管材料在复合材料中所占的含量会影响复合材料最终的复合材料导电性，从而影响电阻应变灵敏系数。作为本发明的优选方案，按重量分数计算，所述智能机器人用柔性力敏复合材料中7-苯基-1-庚醇改性的羧基石墨化碳纳米管材料为2重量份；纳米碳化硅粉2重量份；三硅醇苯基-笼形聚倍半硅氧烷110重量份。本发明采用三硅醇苯基-笼形聚倍半硅氧烷为基底材料，由于三硅醇苯基-笼形聚倍半硅氧烷属于有机无机杂化材料，具有三维多面体结构，具有无机硅氧烷构成的“无机核”和“三硅醇苯基”构成的“有机壳”，能够提高7-苯基-1-庚醇改性的羧基石墨化碳纳米管材料在基材材料中的分散性和相容性。要充分利用石墨化碳纳米管优良性能就必须把石墨化碳纳米管均匀分散在聚合物基体中，否则石墨化碳纳米管的团聚会影响复合材料内部的导电网络以及碳纳米管与聚合物载荷的传递，复合材料的一致性和重复性也会较差。虽然石墨化碳纳米管经过羧基化处理后能够在一定程度上解决与基材三硅醇苯基-笼形聚倍半硅氧烷相容性的问题、剥离后容易自身聚合和难以均匀分散在极性有机溶液中的问题，但若羧基石墨化碳纳米管浓度增加或者溶液法制备过程中由于溶剂挥发也会发生团聚现象。本发明以长链烷烃且含有苯基的7-苯基-1-庚醇与羧基石墨化碳纳米管中的羧基进行酯化连接，制备出的7-苯基-1-庚醇改性的羧基石墨化碳纳米管材料一端固定在了碳纳米管上，另一端长链烷烃能够在溶剂中充分伸展，形成一定的空间位阻，避免了碳纳米管的再次团聚；另外长链的烷烃分子结构具有一定的“柔韧性”，制备出的智能机器人用柔性力敏复合材料柔顺性好；具有优异的拉伸力学性能。更进一步，所述柔性力敏复合材料的制备方法如下：1)将7-苯基-1-庚醇改性的羧基石墨化碳纳米管材料在甲苯/dmf的混合溶液中40℃超声分散30min，得第一分散溶液；2)将三硅醇苯基-笼形聚倍半硅氧烷分散在dmf溶液中40℃保温，得第二分散溶液；3)将第一分散溶液滴加到第二分散溶液中，滴加过程中同时加入纳米碳化硅粉超声24h，然后减压脱除溶剂后，得柔性力敏复合材料。3、本发明的技术效果。与现有技术相比，本发明具有如下优点：一种智能康复训练的机器人手臂，包括把手、上肢托架、伺服电机、支撑臂、滑动臂，把手内部为中空结构，隐藏式设置电池、控制器，结构简单、易于工业化批量生产，利用伺服电机驱动三轴康复运动，广泛用于上肢及腕部康复训练，利用柔性力敏复合材料优异的力学性能和电学性能，将力量信号转换为电信号，实现自动化检测和智能控制。柔性力敏复合材料同时具有高弹性和力敏特性，具有明显的高弹性，拉伸应力应变曲线表明即使发生60％伸长，应力应变仍保持较好的线性关系；具有优异的力敏特性，纳米碳化硅粉的加入增强了电阻应变灵敏系数kε，最高为52.2，变灵敏系数为单晶硅最大值的2/3，达到了与单晶硅相媲美的程度。附图说明图1为本发明的智能康复训练的机器人手臂结构示意图。图2为实施例1制备的柔性力敏复合材料断面扫描电镜图。图3为对比例1制备的柔性力敏复合材料断面扫描电镜图。图4为实施例所得柔性力敏复合材料的拉伸应力应变曲线。图5为实施例所得柔性力敏复合材料的压阻特性曲线。具体实施方式为更加清晰地表述本发明的目的、技术方案和优点，下面结合具体实施方式，对本发明进一步说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。羧基石墨化碳纳米管来自于北京德科岛金科技有限公司，羧基含量为0.36-1.0wt％；纳米碳化硅粉来自于北京德科岛金科技有限公司；三硅醇苯基-笼形聚倍半硅氧烷来自于福斯曼科技(北京)有限公司，cas号为444315-26-8，产品编号为9502013。实施例1一种智能康复训练的机器人手臂，如图1所示，包括把手11、上肢托架12、伺服电机21、22、23、支撑臂31、32、33、滑动臂34；各伺服电机之间通过支撑臂相连，驱动三轴康复运动；把手内部为中空结构，隐藏式设置电池、控制器，其中控制器与伺服电机电气连接，输出控制信号，控制器与柔性力敏传感器电气连接，输入检测信号；把手外表面、上肢托架内表面分别装设柔性力敏传感器，其敏感元件为柔性力敏复合材料。制备7-苯基-1-庚醇改性的羧基石墨化碳纳米管材料：1)将100g羧基石墨化碳纳米管(管径为20-30nm，羧基含量为0.6％wt)加入到400ml正庚烷/dmf混合溶液(按体积比计算，正庚烷:dmf＝3:2)中，于45℃下超声分散30min，得羧基石墨化碳纳米管的单分散液，超声过程中超声功率为300w；2)向羧基石墨化碳纳米管的单分散液中加入0.2g浓硫酸(98％wt)，升温至60℃，然后滴加8ml浓度为20wt％的7-苯基-1-庚醇的dmf溶液，搅拌2h，然后70℃下减压脱溶、45℃下真空干燥至恒重得7-苯基-1-庚醇改性的羧基石墨化碳纳米管材料。制备柔性力敏复合材料：1)将2.0g7-苯基-1-庚醇改性的羧基石墨化碳纳米管材料在10ml甲苯/dmf的混合溶液(按体积比计算，甲苯/dmf＝1:1)中40℃超声分散30min，得第一分散溶液；2)将110g三硅醇苯基-笼形聚倍半硅氧烷分散在300mldmf溶液中40℃保温，得第二分散溶液；3)将第一分散溶液滴加到第二分散溶液中，滴加过程中同时加入2.0g纳米碳化硅粉(粒径为40nm，比表面积为39.8m2/g)超声24h，然后65℃下减压脱除溶剂后，得柔性力敏复合材料。如图2所示，为实施例1制备的柔性力敏复合材料断面扫描电镜图，白色斑点为7-苯基-1-庚醇改性的羧基石墨化碳纳米管，深色为三硅醇苯基-笼形聚倍半硅氧烷基材，可见，7-苯基-1-庚醇改性的羧基石墨化碳纳米管在基材中分布均匀，未出现碳纳米管团聚的现象。实施例2一种智能康复训练的机器人手臂，如图1所示，包括把手11、上肢托架12、伺服电机21、22、23、支撑臂31、32、33、滑动臂34；各伺服电机之间通过支撑臂相连，驱动三轴康复运动；把手内部为中空结构，隐藏式设置电池、控制器，其中控制器与伺服电机电气连接，输出控制信号，控制器与柔性力敏传感器电气连接，输入检测信号；把手外表面、上肢托架内表面分别装设柔性力敏传感器，其敏感元件为柔性力敏复合材料。7-苯基-1-庚醇改性的羧基石墨化碳纳米管材料制备同实施例1。制备柔性力敏复合材料：1)将1.0g7-苯基-1-庚醇改性的羧基石墨化碳纳米管材料在10ml甲苯/dmf的混合溶液(按体积比计算，甲苯/dmf＝1:1)中40℃超声分散30min，得第一分散溶液；2)将110g三硅醇苯基-笼形聚倍半硅氧烷分散在300mldmf溶液中40℃保温，得第二分散溶液；3)将第一分散溶液滴加到第二分散溶液中，滴加过程中同时加入3.0g纳米碳化硅粉(粒径为40nm，比表面积为39.8m2/g)超声24h，然后65℃下减压脱除溶剂后，得柔性力敏复合材料。实施例3一种智能康复训练的机器人手臂，如图1所示，包括把手11、上肢托架12、伺服电机21、22、23、支撑臂31、32、33、滑动臂34；各伺服电机之间通过支撑臂相连，驱动三轴康复运动；把手内部为中空结构，隐藏式设置电池、控制器，其中控制器与伺服电机电气连接，输出控制信号，控制器与柔性力敏传感器电气连接，输入检测信号；把手外表面、上肢托架内表面分别装设柔性力敏传感器，其敏感元件为柔性力敏复合材料。7-苯基-1-庚醇改性的羧基石墨化碳纳米管材料制备同实施例1。制备柔性力敏复合材料：1)将5.0g7-苯基-1-庚醇改性的羧基石墨化碳纳米管材料在10ml甲苯/dmf的混合溶液(按体积比计算，甲苯/dmf＝1:1)中40℃超声分散30min，得第一分散溶液；2)将110g三硅醇苯基-笼形聚倍半硅氧烷分散在300mldmf溶液中40℃保温，得第二分散溶液；3)将第一分散溶液滴加到第二分散溶液中，滴加过程中同时加入3.0g纳米碳化硅粉(粒径为40nm，比表面积为39.8m2/g)超声24h，然后65℃下减压脱除溶剂后，得柔性力敏复合材料。对比例1为了突出发明中7-苯基-1-庚醇对羧基石墨化碳纳米管的影响，采用单因素变量法研究7-苯基-1-庚醇改性羧基石墨化碳纳米管的作用，本实施例直接采用羧基石墨化碳纳米管来替代实施例1中的7-苯基-1-庚醇改性的羧基石墨化碳纳米管材料为原料，其余原料、用量和制备方法与实施例1完全一致来制备柔性力敏复合材料。如图3所示，为对比例1制备的柔性力敏复合材料断面扫描电镜图，白色斑点为羧基石墨化碳纳米管，深色为三硅醇苯基-笼形聚倍半硅氧烷基材，可以看出羧基石墨化碳纳米管在基材中整体分布均匀，但羧基石墨化碳纳米管出现部分团聚的现象，可能是由于在减压脱溶过程中由于溶剂快速脱除导致羧基石墨化碳纳米管浓度增加，从而发生部分团聚的现象。对比例2采用单因素变量法研究碳化硅粉的作用，与实施例1相比，不添加纳米碳化硅粉，其余与实施例1完全一致。柔性力敏复合材料的力学特性：测试方法参照国标《gb/t528-2009硫化橡胶或热塑性橡-胶拉伸应力应变性能的测定》，首先将材料压制成型，然后裁减成24mm×4mm×1mm长条，用卡具夹持长条两端，缓慢拉伸(0.1mm/s)，同时记录拉伸的位移和拉力，绘制拉伸应力应变曲线。如图4所示，为实施例1和对比例1和2制备的柔性力敏复合材料力学性能对比，可见，本发明制备的力敏材料具有优异的拉伸力学性能，具有明显的高弹性，实施例1制备的材料在应力为0-0.75mpa的应力范围内，应力应变基本保持线性关系；拉伸应力应变曲线表明即使发生60％伸长，应力应变仍保持较好的线性关系；而对比例1和2仅在30％应变下与应力成线性关系。柔性力敏复合材料的电学性能：如图5所示，为实施例1和对比例1和2制备的柔性力敏复合材料电学性能对比，从压阻特性曲线可见，实施例制备出的柔性力敏复合材料电阻值随着压力的增加而减小，线性度在一定的范围内很好，灵敏度高。对比例1和2较差，尤其是对比例2压力到5n以后，电阻随压力变化灵敏度下降；说明纳米碳化硅粉的加入从一定程度上起到了提高力敏灵敏度的作用。羧基石墨化碳纳米管羧基含量为0.36-1.0wt％，本发明在研发过程中发现，不同羧基含量的石墨化碳纳米管对制备出的复合材料电阻应变灵敏系数kε有较大影响，以实施例1制备方法为模板，采用单因素变量法研究了羧基含量对电阻应变灵敏系数kε的影响，结果如表1所示。表1不同羧基含量对应的电阻应变灵敏系数kε羧基含量/％wt0.250.360.601.01.28电阻应变灵敏系数kε34.143.252.240.633.0所以本发明采用羧基含量为0.60％wt的羧基石墨化碳纳米管，其电阻应变灵敏度最大，最高为52.2，变灵敏系数为单晶硅最大值的2/3，达到了与单晶硅相媲美的程度，单晶硅是半导体力敏器件中常用的材料，其电阻应变灵敏系数最高可达78.5。实施例4一种智能康复训练的机器人手臂，如图1所示，包括把手11、上肢托架12、伺服电机21、22、23、支撑臂31、32、33、滑动臂34；各伺服电机之间通过支撑臂相连，驱动三轴康复运动；把手内部为中空结构，隐藏式设置电池、控制器，其中控制器与伺服电机电气连接，输出控制信号，控制器与柔性力敏传感器电气连接，输入检测信号；把手外表面、上肢托架内表面分别装设柔性力敏传感器，其敏感元件为柔性力敏复合材料。伺服电机包括z轴伺服电机21、x轴伺服电机22、y轴伺服电机23，支撑臂包括第一支撑臂31、第二支撑臂32、第三支撑臂33；z轴伺服电机通过第一支撑臂驱动把手绕z轴旋转；x轴伺服电机通过第二支撑臂与z轴伺服电机相连，其中第二支撑臂为l型支撑臂，x轴伺服电机驱动l型支撑臂绕x轴旋转；x轴伺服电机通过第三支撑臂与上肢托架固定相连，其中第三支撑臂为s型；y轴伺服电机固定在上肢托架外表面，其中上肢托架为半圆形，其轴线与y轴伺服电机轴线平行。滑动臂与上肢托架固定相连，与y轴伺服电机轴线平行；滑动臂与机器人手臂外部的固定架卡槽配合，y轴伺服电机驱动滑动臂在固定架卡槽内滑动。伺服电机分别通过无缝隙齿轮与支撑臂或滑动臂铰链。尽管已经详细描述了本发明的实施方式，但是应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明的实施方式做出各种改变、替换和变更。当前第1页12