基于嵌入Android移动终端及FPGA的手部功能康复机器人人机交互控制系统的制作方法
【专利摘要】基于嵌入Android移动终端及FPGA的手部功能康复机器人人机交互控制系统，涉及机器人人机交互控制【技术领域】。解决了现有手部康复机器人系统人机交互性能低、系统开放性差的问题，同时现有手部康复机器人系统不利于携带的问题。数据采集模块接收压力传感器采集到的人体指尖对外骨骼机械手的指尖施加的压力信息和角度传感器采集到的外骨骼机械手的转动角度信息，并将所述信息进行处理后发送至FPGA单芯片系统进行数据处理得到数据信息，并将数据信息通过无线传输方式发送至Android移动终端中进行仿真，Android移动终端将该数据信息形成数据文件后通过互联网络发送至PC机。本发明适用于进行手部康复训练。
【专利说明】基于嵌入Andro i d移动终端及FPGA的手部功能康复机器人人机交互控制系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及机器人人机交互【技术领域】，具体涉及手部功能康复机器人人机交互控制【技术领域】。
【背景技术】
[0002]随着近年来医疗康复机器人技术的不断应用和发展，手部功能康复机器人系统已成为机器人领域的研究热点之一。手部功能康复机器人是针对手部外伤以及脑卒中(中风)等术后由于神经损伤导致的手部运动功能障碍的康复装置。它通过对患者的手部进行康复训练，刺激患者手部运动神经，进而最大程度恢复患者手部运动功能。
[0003]目前，手部功能康复训练系统主要采用外骨骼机械装置驱动手部关节往复运动，达到刺激运动神经进而恢复手部运动功能的目的。然而，国内外一些公司研制的手部关节康复器，只有较少的自由度，并且使用开环控制策略，运动模式单一。另外一些采用闭环控制系统的手部康复装置，其控制系统也仅能满足康复装置单纯的机械运动。这些机械装置多采用连续被动康复模式，其主要思想是通过设备辅助患者肢体进行长时间的被动运动来完成康复。这种康复模式使得患者只能被动接受枯燥的康复训练，很难让患者融入到康复训练的过程当中。因此目前一些研究者将人机交互系统引入康复训练中，建立有可视化人机交互界面的训练系统，诱导患者主动参与康复训练，提高康复效果。然而，目前手部康复训练装置要么采用PC机作为运动控制器及人机交互界面，系统体积庞大，不便于携带；要么开发专用控制显示设备，开发成本高，通常不具有开放性。
【发明内容】
[0004]本发明为了解决现有手部康复机器人系统人机交互性能低、系统开放性差的问题，同时现有手部康复机器人系统不利于携带的问题，提供了基于嵌入Android移动终端及FPGA的手部功能康复机器人人机交互控制系统。
[0005]基于嵌入Android移动终端及FPGA的手部功能康复机器人人机交互控制系统，它包括压力传感器、角度传感器、数据采集模块、FPGA单芯片系统、Android移动终端、电机驱动模块和外骨骼机械手，
[0006]压力传感器用于采集人体指尖对外骨骼机械手的指尖施加的压力信息，
[0007]压力传感器的指尖压力采集信号输出端与数据采集模块的指尖压力数据采集信号输入端连接，
[0008]角度传感器用于采集外骨骼机械手的转动角度信息，
[0009]角度传感器的转动角度采集信号输出端与数据采集模块的转动角度数据采集信号输入端连接，
[0010]数据采集模块的数据采集信号输出端与FPGA单芯片系统的数据采集信号输入端连接，[0011]FPGA单芯片系统的电机控制信号输出端与电机驱动模块的电机控制信号输入端连接，
[0012]电机驱动模块用于驱动外骨骼机械手工作，
[0013]FPGA单芯片系统的运动数据信号输入输出端与Android移动终端的运动数据信号输入输出端通过无线通信方式连接。
[0014]所述FPGA单芯片系统包括数据处理模块、运动控制器和蓝牙数据传输模块，
[0015]数据处理模块用于接收数据采集模块发送的人体指尖对外骨骼机械手的指尖施加的压力信息和外骨骼机械手的转动角度信息，还用于与蓝牙数据传输模块进行数据交互，还用于将该数据发送至运动控制器，
[0016]运动控制器用于接收数据处理模块发送的运动模式信息，还用于对接收到的运动模式信息进行调用形成运动控制信息，通过该运动控制信息控制电机驱动模块，
[0017]蓝牙数据传输模块用于与Android移动终端进行无线数据交互。
[0018]所述数据处理模块包括压力信息接收模块、转动角度信息接收模块、系统启动模块、系统停止模块、转动角度信息预设接收模块、康复运动速度预设接收模块、压力值预设模块、转动角度信息比较模块、运动模式生成模块和转动模式生成模块，
[0019]压力信息接收模块用于接收数据采集模块发送的人体指尖对外骨骼机械手的指尖施加的压力信息，并将所述压力信息通过发送至蓝牙数据传输模块，
[0020]转动角度信息接收模块用于接收数据采集模块发送的外骨骼机械手的转动角度信息，并将所述转动角度信息发送至蓝牙数据传输模块，
[0021]系统启动模块用于接收Android移动终端经蓝牙数据传输模块发送的系统启动信息，并将该系统启动信息发送至运动控制器，
[0022]系统停止模块用于接收Android移动终端经蓝牙数据传输模块发送的系统停止信息，并将该系统停止信息发送至运动控制器，
[0023]转动角度信息预设接收模块用于接收Android移动终端发送的设置外骨骼机械手最大转动角度和最小转动角度，并将所述最大转动角度和最小转动角度发送至运动控制器，
[0024]康复运动速度预设接收模块用于接收Android移动终端经蓝牙数据传输模块发送的设置外骨骼机械手手指康复运动速度，并将该康复运动速度发送至运动控制器，
[0025]压力值预设模块用于设定人体指尖对外骨骼机械手的指尖施加的压力的预设值，并对该压力预设值进行存储，
[0026]压力值比较模块用于将压力信息接收模块接收到的人体指尖对外骨骼机械手的指尖施加的压力信息与压力值预设模块预设的人体指尖对外骨骼机械手的指尖施加的压力的预设值进行比较，并将比较结果发送至运动模式生成模块，
[0027]转动角度信息比较模块用于将转动角度信息接收模块接收到的外骨骼机械手的转动角度信息与转动角度信息预设接收模块接收到的预设的外骨骼机械手的转动角度信息进行比较，并将比较结果发送至转动模式生成模块，
[0028]运动模式生成模块用于根据压力值比较模块的比较结果生成外骨骼机械手运动模式，并将该运动模式发送至运动控制器和蓝牙数据传输模块，
[0029]转动模式生成模块用于根据转动角度信息比较模块的比较结果生成外骨骼机械手的转动模式，并将该转动模式发送至运动控制器和蓝牙数据传输模块。
[0030]所述外骨骼机械手的运动模式为主动运动模式或被动运动模式，
[0031]当人体指尖对外骨骼机械手的指尖施加的压力数值大于人体指尖对外骨骼机械手的指尖施加的压力的预设值时，外骨骼机械手的运动模式为主动运动模式，
[0032]当人体指尖对外骨骼机械手的指尖施加的压力数值小于人体指尖对外骨骼机械手的指尖施加的压力的预设值时，外骨骼机械手的运动模式为被动运动模式。
[0033]所述外骨骼机械手8的转动模式为顺时针转动模式或逆时针转动模式，
[0034]当转动角度信息接收模块接收的外骨骼机械手的转动角度信息大于或等于转动角度信息预设接收模块接收的预设的外骨骼机械手最大转动角度时，外骨骼机械手的转动模式为逆时针转动模式，
[0035]当转动角度信息接收模块接收的外骨骼机械手的转动角度信息小于或等于转动角度信息预设接收模块接收的预设的外骨骼机械手最小转动角度时，外骨骼机械手的转动模式为顺时针转动模式。
[0036]所述运动控制器包括运动模式判断模块、转动模式判断模块、运动控制程序调用模块、系统启动程序调用模块和系统停止程序调用模块，
[0037]运动模式判断模块用于接收并判断运动模式生成模块发送的外骨骼机械手运动模式，并将该运动模式发送至运动控制程序调用模块，
[0038]转动模式判断模块用于接收并判断转动模式生成模块发送的外骨骼机械手的转动模式，并将该转动模式发送至运动控制程序调用模块，
[0039]运动控制程序调用模块用于接收经运动模式判断模块判断后发送的外骨骼机械手运动模式和转动模式判断模块判断后发送的外骨骼机械手的转动模式，并根据该运动模式和转动模式调用相应的转动控制程序，通过该运动控制程序控制电机驱动模块，
[0040]系统启动程序调用模块用于接收数据处理模块中系统启动模块发送的系统启动信息，并通过该系统启动信息调用系统启动程序控制电机驱动模块的启动，
[0041]系统停止程序调用模块用于接收数据处理模块中系统启动模块发送的系统停止信息，并通过该系统停止信息调用系统停止程序控制电机驱动模块的停止。
[0042]所述Android移动终端包括人机交互模块和虚拟仿真模块，
[0043]人机交互模块用于与蓝牙数据传输模块进行无线数据交互，还用于将蓝牙数据传输模块发送的数据信息发送至虚拟仿真模块，
[0044]虚拟仿真模块用于接收人机交互模块发送的数据信息，还用于通过该数据信息对外骨骼机械手的运动状态进行虚拟仿真，并将仿真的画面和仿真的数据结果发送回人机交互模块。
[0045]所述人机交互模块包括信息接收模块、康复运动速度预设模块、转动角度预设模块、触屏操作模块、系统启动信息采集模块、系统停止信息采集模块和显示模块，
[0046]信息接收模块用于接收数据处理模块发送的人体指尖对外骨骼机械手的指尖施加的压力信息和外骨骼机械手的转动角度信息，并将该压力信息和转动角度信息发送至显示模块进行显示，同时将该压力信息和转动角度信息发送至虚拟仿真模块，
[0047]康复运动速度预设模块用于当外骨骼机械手处于被动运动模式时，对外骨骼机械手手指康复运动速度进行预设，并将该预设值发送至显示模块进行显示，[0048]转动角度预设模块用于当外骨骼机械手处于被动运动模式时，对外骨骼机械手转动角度进行预设，并将该预设值发送至显示模块进行显示，
[0049]触屏操作模块用于对外骨骼机械手手指康复运动速度的预设值和外骨骼机械手转动角度的预设值进行数据输入，
[0050]系统启动信息采集模块用于采集系统启动信息，并将该系统启动信息发送至蓝牙数据传输模块，
[0051]系统停止信息采集模块用于采集系统停止信息，并将该系统停止信息发送至蓝牙数据传输模块，
[0052]显示模块用于接收信息接收模块发送的人体指尖对外骨骼机械手的指尖施加的压力信息和外骨骼机械手的转动角度信息、康复运动速度预设模块发送的外骨骼机械手手指康复运动速度的预设值、外骨骼机械手转动角度的预设值和虚拟仿真模块发送的仿真的画面和仿真的数据结果，并对所述压力信息、转动角度信息、手指康复运动速度的预设值、转动角度的预设值、仿真的画面和仿真的结果进行显示。
[0053]基于嵌入Android移动终端及FPGA的手部功能康复机器人人机交互控制系统还包括PC机，Android移动终端的数据信号输出端与PC机的数据信号输入端通过互联网络连接。
[0054]所述PC机包括信息管理模块，
[0055]信息管理模块用于接收Android移动终端发送的数据信息和仿真结果，并将接收到的数据信息和仿真结果进行存储和调用。
[0056]有益效果:本发明提供了一种基于嵌入Android移动终端及FPGA的手部功能康复机器人人机交互控制系统，通过传感器对外骨骼机械手受到的指尖压力及角度信息进行采集并将信息及时反馈至外骨骼机械手，实现手部外骨骼机构的闭环运动控制，同时引入基于Android移动终端的人机交互功能，使外骨骼机械手能够与患者相配合进行康复治疗；通过外骨骼机械手的实际运动情况在Android系统下进行虚拟仿真开发，并将仿真结果显示出来，使患者能够清晰地了解手部运动情况，患者可以通过仿真情况自主地进行康复训练，是患者康复训练的主动参与度提高了 20%以上，并能提高人机交互性能。同时，本发明所应用的Android移动终端使用通用设备即可，使本发明不需要特殊的设备或器件即可实现人机交互功能，突出了本发明开放性好的特点，同时Android移动终端和FPGA单芯片系统体积小，便携性好，有利于患者可以方便的进行康复训练。
【专利附图】
【附图说明】
[0057]图1为基于嵌入Android移动终端及FPGA的手部功能康复机器人人机交互控制系统的结构示意图。
【具体实施方式】
[0058]【具体实施方式】一、结合图1说明本【具体实施方式】，基于嵌入Android移动终端及FPGA的手部功能康复机器人人机交互控制系统，它包括压力传感器1、角度传感器14、数据采集模块2、FPGA单芯片系统3、Android移动终端9、电机驱动模块6和外骨骼机械手8，
[0059]压力传感器I用于采集人体指尖对外骨骼机械手8的指尖施加的压力信息，[0060]压力传感器I的指尖压力采集信号输出端与数据采集模块2的指尖压力数据采集信号输入端连接，
[0061]角度传感器14用于采集外骨骼机械手8的转动角度信息，
[0062]角度传感器14的转动角度采集信号输出端与数据采集模块2的转动角度数据采集信号输入端连接，
[0063]数据采集模块2的数据采集信号输出端与FPGA单芯片系统3的数据采集信号输入端连接，
[0064]FPGA单芯片系统3的电机控制信号输出端与电机驱动模块6的电机控制信号输入端连接，
[0065]电机驱动模块6用于驱动外骨骼机械手8工作，
[0066]FPGA单芯片系统3的运动数据信号输入输出端与Android移动终端9的运动数据信号输入输出端通过无线通信方式连接。
[0067]工作原理:压力传感器I将采集到的人体指尖对外骨骼机械手8的指尖施加的压力信息发送至数据采集模块2，角度传感器14将采集到的外骨骼机械手8的转动角度信息发送至数据采集模块2，数据采集模块2对接收到的压力信息和转动角度信息进行数据转换和数据处理后发送至FPGA单芯片系统3进行再处理得到运动信息，并将该运动信息通过无线传输方式发送至Android移动终端9，Android移动终端9将该运动信息形成数据文件，并将该数据文件通过互联网络发送至PC机。
[0068]本实施方式中，压力传感器I和角度传感器14分别用于获取外骨骼机械手8受到的指尖压力信息和手指角度信息，数据采集模块2将机器人指尖压力信息和手指角度信息通过A/D转换后发送至FPGA单芯片系统3。
[0069]本实施方式中所述的压力传感器I固定在外骨骼机械手8的指尖部位，通过实时采集患者施加于外骨骼机械手8的指尖压力以驱动外骨骼机械手8按照患者的实际康复情况进行康复运动，角度传感器14用于采集外骨骼机械手8的位移信息，将该位移信息经数据采集模块2发送至FPGA单芯片系统3，为外骨骼机械手8的控制提供状态参数。
[0070]本实施方式中所述的电机驱动模块6是采用Verilog语言设计的电机PWM驱动模块，通过AVALON总线产生2500分频的PWM波形，以实现每根手指中两路直流电机的精确控制。直流电机选用功率为4.5W的RE-maxl7电机作为外骨骼机械手8的机械结构驱动源。
[0071]本实施方式中，外骨骼机械手8的每根手指均是由一个集成两个H桥的L298N电机驱动芯片和4通道的12位模数转换器所组成的电路结构进行采集和驱动的，用于实现对电机的驱动和力矩、关节位置信号的采样。
[0072]【具体实施方式】二、结合图1说明本【具体实施方式】，本【具体实施方式】与【具体实施方式】一所述的基于嵌入Android移动终端及FPGA的手部功能康复机器人人机交互控制系统的区别在于，所述FPGA单芯片系统3包括数据处理模块4、运动控制器5和蓝牙数据传输模块7，
[0073]数据处理模块4用于接收数据采集模块2发送的人体指尖对外骨骼机械手8的指尖施加的压力信息和外骨骼机械手8的转动角度信息，还用于与蓝牙数据传输模块7进行数据交互，还用于将该数据发送至运动控制器5，
[0074]运动控制器5用于接收数据处理模块4发送的运动模式信息，还用于对接收到的运动模式信息进行调用形成运动控制信息，通过该运动控制信息控制电机驱动模块6，
[0075]蓝牙数据传输模块7用于与Android移动终端9进行无线数据交互。
[0076]本实施方式中，所述的数据处理模块4、运动控制器5和蓝牙数据传输模块7均为若干嵌入的Nios II软核的C语言及Verilog程序,并且其内部芯片均采用Cyclone IV系列芯片，其电路均采用5V的外用电源供电，通过电压转换提供给FPGA单芯片系统3稳定工作的电压，Nios II软核通过AVALON高速总线与底层设备进行通信，拥有15408个逻辑单元的FPGA和4Mbit的RAM的硬件系统可以满足在Nios II软核中嵌入UC/0S-1I操作系统，实现外骨骼机械手8实时接收传感器的采集数据，并处理手指的运动参数。
[0077]数据处理模块4用于识别数据采集模块2发送的人体指尖对外骨骼机械手8的指尖施加的压力信息、外骨骼机械手8的手指转动角度信息和蓝牙数据传输模块7发送的数据信息，以确定外骨骼机械手8的康复运动模式，并将生成的运动模式信息发送至运动控制器5中，运动控制器5将接收到的运动模式信息进行运动控制信息调用，并将调用的结果发送至电机驱动模块6，蓝牙数据传输模块7用于接收数据处理模块4中的运动模式信息，将该运动信息通过无线传输发送至Android移动终端9,同时接收Android移动终端9发送的数据信息，并将该数据信息发送至数据处理模块4。
[0078]【具体实施方式】三、本【具体实施方式】与【具体实施方式】二所述的基于嵌入Android移动终端及FPGA的手部功能康复机器人人机交互控制系统的区别在于，所述数据处理模块4包括压力信息接收模块、转动角度信息接收模块、系统启动模块、系统停止模块、转动角度信息预设接收模块、康复运动速度预设接收模块、压力值预设模块、压力值比较模块、转动角度信息比较模块、运动模式生成模块和转动模式生成模块，
[0079]压力信息接收模块用于接收数据采集模块2发送的人体指尖对外骨骼机械手8的指尖施加的压力信息，并将所述压力信息通过发送至蓝牙数据传输模块7，
[0080]转动角度信息接收模块用于接收数据采集模块2发送的外骨骼机械手8的转动角度信息，并将所述转动角度信息发送至蓝牙数据传输模块7，
[0081]系统启动模块用于接收Android移动终端9经蓝牙数据传输模块7发送的系统启动信息，并将该系统启动信息发送至运动控制器5，
[0082]系统停止模块用于接收Android移动终端9经蓝牙数据传输模块7发送的系统停止信息，并将该系统停止信息发送至运动控制器5，
[0083]转动角度信息预设接收模块用于接收Android移动终端9发送的设置外骨骼机械手8最大转动角度和最小转动角度,并将所述最大转动角度和最小转动角度发送至运动控制器5,
[0084]康复运动速度预设接收模块用于接收Android移动终端9经蓝牙数据传输模块7发送的设置外骨骼机械手8手指康复运动速度，并将该康复运动速度发送至运动控制器5，
[0085]压力值预设模块用于设定人体指尖对外骨骼机械手8的指尖施加的压力的预设值，并对该压力预设值进行存储，
[0086]压力值比较模块用于将压力信息接收模块接收到的人体指尖对外骨骼机械手8的指尖施加的压力信息与压力值预设模块预设的人体指尖对外骨骼机械手8的指尖施加的压力的预设值进行比较，并将比较结果发送至运动模式生成模块，
[0087]转动角度信息比较模块用于将转动角度信息接收模块接收到的外骨骼机械手8的转动角度信息与转动角度信息预设接收模块接收到的预设的外骨骼机械手8的转动角度信息进行比较，并将比较结果发送至转动模式生成模块，
[0088]运动模式生成模块用于根据压力值比较模块的比较结果生成外骨骼机械手8运动模式，并将该运动模式发送至运动控制器5和蓝牙数据传输模块7，
[0089]转动模式生成模块用于根据转动角度信息比较模块的比较结果生成外骨骼机械手8的转动模式，并将该转动模式发送至运动控制器5和蓝牙数据传输模块7。
[0090]【具体实施方式】四、本【具体实施方式】与【具体实施方式】三所述的基于嵌入Android移动终端及FPGA的手部功能康复机器人人机交互控制系统的区别在于，所述外骨骼机械手8的运动模式为主动运动模式或被动运动模式，
[0091]当人体指尖对外骨骼机械手8的指尖施加的压力数值大于人体指尖对外骨骼机械手8的指尖施加的压力的预设值时，外骨骼机械手8的运动模式为主动运动模式，
[0092]当人体指尖对外骨骼机械手8的指尖施加的压力数值小于人体指尖对外骨骼机械手8的指尖施加的压力的预设值时，外骨骼机械手8的运动模式为被动运动模式。
[0093]数据处理模块4对外骨骼机械手8的运动方式进行控制，并对外骨骼机械手8的运动模式进行切换，其中外骨骼机械手8的康复运动模式分为主动运动模式和被动运动模式，数据处理模块4在运行过程中的运动模式判断的依据为数据采集模块2所发送的数据，当外骨骼机械手8的指尖的压力传感器I没有检测到压力信号或者所采集到的压力数值小于预设的压力数值时，数据处理模块4判断患者手部无法自主地完成运动，数据处理模块4将外骨骼机械手8的运动模式切换至被动运动模式，此时，数据处理模块4向运动控制器5发送运动模式信息，运动控制器5识别该运动模式信息后调用该运动模式信息所对应的运动控制程序，形成运动控制信息发送至电机驱动模块6，从而控制外骨骼机械手8的电机，通过电机提供驱动力，进而带动患者手指进行康复训练运动；当压力传感器I检测到压力信号，且该压力信号的压力数值达到预设的压力数值时，数据处理模块4判断患者可以自主地完成康复训练，数据处理模块4将外骨骼机械手8的康复运动模式切换至主动运动模式，由患者带动外骨骼机械手8进行运动。
[0094]【具体实施方式】五、本【具体实施方式】与【具体实施方式】三所述的基于嵌入Android移动终端及FPGA的手部功能康复机器人人机交互控制系统的区别在于，所述外骨骼机械手8的转动模式为顺时针转动模式或逆时针转动模式，
[0095]当转动角度信息接收模块接收的外骨骼机械手8的转动角度信息大于或等于转动角度信息预设接收模块接收的预设的外骨骼机械手8最大转动角度时，外骨骼机械手8的转动模式为逆时针转动模式，
[0096]当转动角度信息接收模块接收的外骨骼机械手8的转动角度信息小于或等于转动角度信息预设接收模块接收的预设的外骨骼机械手8最小转动角度时，外骨骼机械手8的转动模式为顺时针转动模式。
[0097]数据处理模块4对外骨骼机械手8的转动模式进行控制，并对外骨骼机械手8的转动模式进行切换，数据处理模块4在运行过程中的转动模式判断的依据为数据采集模块2所发送的数据，当外骨骼机械手8的角度传感器14检测到的转动角度大于或等于转动角度信息预设接收模块接收的预设的外骨骼机械手8最大转动角度时，数据处理模块4判断患者手部的转动角度已经超过了最大值，数据处理模块4将外骨骼机械手8的转动模式切换至逆时针转动模式，当角度传感器14检测到转动角度小于或等于转动角度信息预设接收模块接收的预设的外骨骼机械手8最小转动角度时，数据处理模块4判断患者手部的转动角度已经达到了最小值，数据处理模块4将外骨骼机械手8的转动模式切换至顺时针转动模式，此时，数据处理模块4向运动控制器5发送转动模式信息，运动控制器5识别该转动模式信息后调用该转动模式信息所对应的运动控制程序，形成运动控制信息发送至电机驱动模块6，从而控制外骨骼机械手8的电机转动，通过电机提供驱动力，进而带动患者手指进行康复训练运动。
[0098]【具体实施方式】六、本【具体实施方式】与【具体实施方式】三所述的基于嵌入Android移动终端及FPGA的手部功能康复机器人人机交互控制系统的区别在于，所述运动控制器5包括运动模式判断模块、转动模式判断模块、运动控制程序调用模块、系统启动程序调用模块和系统停止程序调用模块，
[0099]运动模式判断模块用于接收并判断运动模式生成模块发送的外骨骼机械手8运动模式，并将该运动模式发送至运动控制程序调用模块，
[0100]转动模式判断模块用于接收并判断转动模式生成模块发送的外骨骼机械手8的转动模式，并将该转动模式发送至运动控制程序调用模块，
[0101]运动控制程序调用模块用于接收经运动模式判断模块判断后发送的外骨骼机械手8运动模式和转动模式判断模块判断后发送的外骨骼机械手8的转动模式，并根据该运动模式和转动模式调用相应的转动控制程序，通过该运动控制程序控制电机驱动模块6，
[0102]系统启动程序调用模块用于接收数据处理模块4中系统启动模块发送的系统启动信息，并通过该系统启动信息调用系统启动程序控制电机驱动模块6的启动，
[0103]系统停止程序调用模块用于接收数据处理模块4中系统启动模块发送的系统停止信息，并通过该系统停止信息调用系统停止程序控制电机驱动模块6的停止。
[0104]【具体实施方式】七、结合图1说明本【具体实施方式】，本【具体实施方式】与【具体实施方式】三所述的基于嵌入Android移动终端及FPGA的手部功能康复机器人人机交互控制系统的区别在于，所述Android移动终端9包括人机交互模块10和虚拟仿真模块11，
[0105]人机交互模块10用于与蓝牙数据传输模块7进行无线数据交互，还用于将蓝牙数据传输模块7发送的数据信息发送至虚拟仿真模块11，
[0106]虚拟仿真模块11用于接收人机交互模块10发送的数据信息，还用于通过该数据信息对外骨骼机械手8的运动状态进行虚拟仿真，并将仿真的画面和仿真的数据结果发送回人机交互模块10。
[0107]本实施方式中所述的Android移动终端9中搭载了人机交互模块10和虚拟仿真模块11，人机交互模块10采用JAVA语言编写，是基于Android的程序，程序能够提供供患者操作的界面，采用Google提供的Android界面编辑风格，界面能够同时显示外骨骼机械手8运动速度和角度信息的图表，同时能够对数据库信息进行存储；虚拟仿真模块11采用OpenGL图形引擎，通过识别Android移动终端9接收到的运动信息信号，对真实的手部运动情况进行实时的模拟，在虚拟仿真手部运动情况时，外骨骼机械手8的各手指指节的运动需要考虑相连接指节的运动关系，为患者反馈直观的手部运动信息。
[0108]【具体实施方式】八、本【具体实施方式】七所述的基于嵌入Android移动终端及FPGA的手部功能康复机器人人机交互控制系统的区别在于，所述人机交互模块10包括信息接收模块、康复运动速度预设模块、转动角度预设模块、触屏操作模块、系统启动信息采集模块、系统停止信息采集模块和显示模块，
[0109]信息接收模块用于接收数据处理模块4发送的人体指尖对外骨骼机械手8的指尖施加的压力信息和外骨骼机械手8的转动角度信息，并将该压力信息和转动角度信息发送至显示模块进行显示，同时将该压力信息和转动角度信息发送至虚拟仿真模块11，
[0110]康复运动速度预设模块用于当外骨骼机械手8处于被动运动模式时，对外骨骼机械手8手指康复运动速度进行预设，并将该预设值发送至显示模块进行显示，
[0111]转动角度预设模块用于当外骨骼机械手8处于被动运动模式时，对外骨骼机械手8转动角度进行预设，并将该预设值发送至显示模块进行显示，
[0112]触屏操作模块用于对外骨骼机械手8手指康复运动速度的预设值和外骨骼机械手8转动角度的预设值进行数据输入，
[0113]系统启动信息采集模块用于采集系统启动信息，并将该系统启动信息发送至蓝牙数据传输模块7，
[0114]系统停止信息采集模块用于采集系统停止信息，并将该系统停止信息发送至蓝牙数据传输模块7，
[0115]显示模块用于接收信息接收模块发送的人体指尖对外骨骼机械手8的指尖施加的压力信息和外骨骼机械手8的转动角度信息、康复运动速度预设模块发送的外骨骼机械手8手指康复运动速度的预设值、外骨骼机械手8转动角度的预设值和虚拟仿真模块11发送的仿真的画面和仿真的数据结果，并对所述压力信息、转动角度信息、手指康复运动速度的预设值、转动角度的预设值、仿真的画面和仿真的结果进行显示。
[0116]【具体实施方式】九、结合图1说明本【具体实施方式】与【具体实施方式】一所述的基于嵌入Android移动终端及FPGA的手部功能康复机器人人机交互控制系统的区别在于，它还包括PC机12，Android移动终端9的数据信号输出端与PC机12的数据信号输入端通过互联网络连接。
[0117]【具体实施方式】十、结合图1说明本【具体实施方式】，本【具体实施方式】与【具体实施方式】九所述的基于嵌入Android移动终端及FPGA的手部功能康复机器人人机交互控制系统的区别在于，所述PC机12包括信息管理模块13，信息管理模块13用于接收Android移动终端9发送的数据信息和仿真结果，并将接收到的数据信息和仿真结果进行存储和调用。
[0118]本实施方式中所述的信息管理模块13采用C#语言编写，通过无线通信方式接收Android移动终端9生成的数据库文件,识别数据库中的数据,通过Visual Studio中提供的MSChart模块功能来进行图表的绘制工作，并且对患者信息进行分类显示，便于医师对患者手部运动功能康复情况进行管理。
【权利要求】
1.基于嵌入Android移动终端及FPGA的手部功能康复机器人人机交互控制系统，其特征在于，它包括压力传感器(I)、角度传感器(14)、数据采集模块(2)、FPGA单芯片系统(3)、Android移动终端(9 )、电机驱动模块(6 )和外骨骼机械手(8 )， 压力传感器(I)用于采集人体指尖对外骨骼机械手(8)的指尖施加的压力信息， 压力传感器(I)的指尖压力采集信号输出端与数据采集模块(2)的指尖压力数据采集信号输入端连接， 角度传感器(14)用于采集外骨骼机械手(8)的转动角度信息， 角度传感器(14)的转动角度采集信号输出端与数据采集模块(2)的转动角度数据采集信号输入端连接， 数据采集模块(2)的数据采集信号输出端与FPGA单芯片系统(3)的数据采集信号输入端连接， FPGA单芯片系统(3)的电机控制信号输出端与电机驱动模块(6)的电机控制信号输入端连接， 电机驱动模块(6)用于驱动外骨骼机械手(8)工作， FPGA单芯片系统(3)的运动数据信号输入输出端与Android移动终端(9)的运动数据信号输入输出端通过无线通信方式连接。
2.根据权利要求1所述的基于嵌入Android移动终端及FPGA的手部功能康复机器人人机交互控制系统，其特征在于，所述FPGA单芯片系统(3)包括数据处理模块(4)、运动控制器(5 )和蓝牙数据`传输模块(7 )， 数据处理模块(4)用于接收数据采集模块(2)发送的人体指尖对外骨骼机械手(8)的指尖施加的压力信息和外骨骼机械手(8)的转动角度信息，还用于与蓝牙数据传输模块(7 )进行数据交互，还用于将该数据发送至运动控制器(5 )， 运动控制器(5)用于接收数据处理模块(4)发送的运动模式信息，还用于对接收到的运动模式信息进行调用形成运动控制信息，通过该运动控制信息控制电机驱动模块(6)，蓝牙数据传输模块(7)用于与Android移动终端(9)进行无线数据交互。
3.根据权利要求2所述的基于嵌入Android移动终端及FPGA的手部功能康复机器人人机交互控制系统，其特征在于，所述数据处理模块(4)包括压力信息接收模块、转动角度信息接收模块、系统启动模块、系统停止模块、转动角度信息预设接收模块、康复运动速度预设接收模块、压力值预设模块、压力值比较模块、转动角度信息比较模块、运动模式生成模块和转动模式生成模块， 压力信息接收模块用于接收数据采集模块(2)发送的人体指尖对外骨骼机械手(8)的指尖施加的压力信息，并将所述压力信息通过发送至蓝牙数据传输模块(7)， 转动角度信息接收模块用于接收数据采集模块(2)发送的外骨骼机械手(8)的转动角度信息，并将所述转动角度信息发送至蓝牙数据传输模块(7)， 系统启动模块用于接收Android移动终端(9)经蓝牙数据传输模块(7)发送的系统启动信息，并将该系统启动信息发送至运动控制器(5)， 系统停止模块用于接收Android移动终端(9)经蓝牙数据传输模块(7)发送的系统停止信息，并将该系统停止信息发送至运动控制器(5)， 转动角度信息预设接收模块用于接收Android移动终端(9)发送的设置外骨骼机械手(8)最大转动角度和最小转动角度,并将所述最大转动角度和最小转动角度发送至运动控制器(5)， 康复运动速度预设接收模块用于接收Android移动终端(9)经蓝牙数据传输模块(7)发送的设置外骨骼机械手(8)手指康复运动速度，并将该康复运动速度发送至运动控制器(5)， 压力值预设模块用于设定人体指尖对外骨骼机械手(8)的指尖施加的压力的预设值，并对该压力预设值进行存储， 压力值比较模块用于将压力信息接收模块接收到的人体指尖对外骨骼机械手(8)的指尖施加的压力信息与压力值预设模块预设的人体指尖对外骨骼机械手(8)的指尖施加的压力的预设值进行比较，并将比较结果发送至运动模式生成模块， 转动角度信息比较模块用于将转动角度信息接收模块接收到的外骨骼机械手(8)的转动角度信息与转动角度信息预设接收模块接收到的预设的外骨骼机械手(8)的转动角度信息进行比较，并将比较结果发送至转动模式生成模块， 运动模式生成模块用于根据压力值比较模块的比较结果生成外骨骼机械手(8 )运动模式，并将该运动模式发送至运动控制器(5 )和蓝牙数据传输模块(7 )， 转动模式生成模块用于根据转动角度信息比较模块的比较结果生成外骨骼机械手(8)的转动模式，并将该转动模式发送至运动控制器(5 )和蓝牙数据传输模块(7 )。
4.根据权利要求3所述的基于嵌入Android移动终端及FPGA的手部功能康复机器人人机交互控制系统，其 特征在于，所述外骨骼机械手(8)的运动模式为主动运动模式或被动运动模式， 当人体指尖对外骨骼机械手(8)的指尖施加的压力数值大于人体指尖对外骨骼机械手(8)的指尖施加的压力的预设值时，外骨骼机械手(8)的运动模式为主动运动模式， 当人体指尖对外骨骼机械手(8)的指尖施加的压力数值小于人体指尖对外骨骼机械手(8)的指尖施加的压力的预设值时，外骨骼机械手(8)的运动模式为被动运动模式。
5.根据权利要求3所述的基于嵌入Android移动终端及FPGA的手部功能康复机器人人机交互控制系统，其特征在于，所述外骨骼机械手(8)的转动模式为顺时针转动模式或逆时针转动模式， 当转动角度信息接收模块接收的外骨骼机械手(8)的转动角度信息大于或等于转动角度信息预设接收模块接收的预设的外骨骼机械手(8)最大转动角度时，外骨骼机械手(8)的转动模式为逆时针转动模式， 当转动角度信息接收模块接收的外骨骼机械手(8)的转动角度信息小于或等于转动角度信息预设接收模块接收的预设的外骨骼机械手(8)最小转动角度时，外骨骼机械手(8)的转动模式为顺时针转动模式。
6.根据权利要求3所述的基于嵌入Android移动终端及FPGA的手部功能康复机器人人机交互控制系统，其特征在于，所述运动控制器(5)包括运动模式判断模块、转动模式判断模块、运动控制程序调用模块、系统启动程序调用模块和系统停止程序调用模块， 运动模式判断模块用于接收并判断运动模式生成模块发送的外骨骼机械手(8)运动模式，并将该运动模式发送至运动控制程序调用模块，转动模式判断模块用于接收并判断转动模式生成模块发送的外骨骼机械手(8)的转动模式，并将该转动模式发送至运动控制程序调用模块， 运动控制程序调用模块用于接收经运动模式判断模块判断后发送的外骨骼机械手(8)运动模式和转动模式判断模块判断后发送的外骨骼机械手(8)的转动模式，并根据该运动模式和转动模式调用相应的运动控制程序，通过该运动控制程序控制电机驱动模块(6)，系统启动程序调用模块用于接收数据处理模块(4)中系统启动模块发送的系统启动信息，并通过该系统启动?目息调用系统启动程序控制电机驱动t旲块(6 )的启动， 系统停止程序调用模块用于接收数据处理模块(4)中系统启动模块发送的系统停止信息，并通过该系统停止信息调用系统停止程序控制电机驱动模块(6)的停止。
7.根据权利要求3所述的基于嵌入Android移动终端及FPGA的手部功能康复机器人人机交互控制系统，其特征在于，所述Android移动终端(9)包括人机交互模块(10)和虚拟仿真模块(11)， 人机交互模块(10 )用于与蓝牙数据传输模块(7 )进行无线数据交互，还用于将蓝牙数据传输模块(7 )发送的数据信息发送至虚拟仿真模块(11)， 虚拟仿真模块(11)用于接收人机交互模块(10)发送的数据信息，还用于通过该数据信息对外骨骼机械手(8)的运动状态进行虚拟仿真，并将仿真的画面和仿真的数据结果发送回人机交互模块(10)。
8.根据权利要求7所述的基于嵌入Android移动终端及FPGA的手部功能康复机器人人机交互控制系统，其特征在于，所述人机交互模块(10)包括信息接收模块、康复运动速度预设模块、转动角度预设模块、触屏操作模块、系统启动信息采集模块、系统停止信息采集模块和显示模块， 信息接收模块用于接收数据处理模块(4)发送的人体指尖对外骨骼机械手(8)的指尖施加的压力信息和外骨骼机械手(8)的转动角度信息，并将该压力信息和转动角度信息发送至显示模块进行显示，同时将`该压力信息和转动角度信息发送至虚拟仿真模块(11)， 康复运动速度预设模块用于当外骨骼机械手(8)处于被动运动模式时，对外骨骼机械手(8)手指康复运动速度进行预设，并将该预设值发送至显示模块进行显示， 转动角度预设模块用于当外骨骼机械手(8)处于被动运动模式时，对外骨骼机械手(8)转动角度进行预设，并将该预设值发送至显示模块进行显示， 触屏操作模块用于对外骨骼机械手(8)手指康复运动速度的预设值和外骨骼机械手(8)转动角度的预设值进行数据输入， 系统启动信息采集模块用于采集系统启动信息，并将该系统启动信息发送至蓝牙数据传输模块(7)， 系统停止信息采集模块用于采集系统停止信息，并将该系统停止信息发送至蓝牙数据传输模块(7)， 显示模块用于接收信息接收模块发送的人体指尖对外骨骼机械手(8)的指尖施加的压力信息和外骨骼机械手(8)的转动角度信息、康复运动速度预设模块发送的外骨骼机械手(8)手指康复运动速度的预设值、外骨骼机械手(8)转动角度的预设值和虚拟仿真模块(11)发送的仿真的画面和仿真的数据结果，并对所述压力信息、转动角度信息、手指康复运动速度的预设值、转动角度的预设值、仿真的画面和仿真的结果进行显示。
9.根据权利要求1所述的基于嵌入Android移动终端及FPGA的手部功能康复机器人人机交互控制系统，其特征在于，它还包括PC机(12)，Android移动终端(9)的数据信号输出端与PC机(12)的数据信号输入端通过互联网络连接。
10.根据权利要求9所述的基于嵌入Android移动终端及FPGA的手部功能康复机器人人机交互控制系统，其特征在于，所述PC机(12)包括信息管理模块(13)， 信息管理模块(13)用于接收Android移动终端(9)发送的数据信息和仿真结果，并将接收到的数据信息和仿真结果进行 存储和调用。
【文档编号】G05B19/042GK103558786SQ201310532812
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年10月31日 优先权日:2013年10月31日
【发明者】付宜利, 张福海, 陈宏伟, 王翔宇, 华磊 申请人:哈尔滨工业大学