一种五指独立运动的外骨骼康复机械手装置及方法与流程

本发明涉及一种五指独立运动的外骨骼康复机械手装置及方法。

背景技术

人类的手是如此精巧、复杂，它不仅能展示人类的心灵，而且使人与环境建立了特殊的关系,是人感知环境并且进行日常活动的重要工具。在健康状态下，人手能完成对物体托举、抓握、间捏及侧捏等的多种功能，并能感知物体的形状、温度等特性。精细、灵敏、复杂的手部功能在人的日常生活和工作中起着无可替代的作用。

手部功能损伤特别是拇指的功能损伤不仅使患者的生活质量下降，还使其家庭耗费大量人力物力并承受巨大的经济负担。如何针对脑卒中患者手部功能实现精准有效的康复治疗是国内外医学与工程领域的热点问题。

康复机械手是替代康复治疗师对患者手功能进行恢复性训练的有效装置，能够代替进行大量重复性劳动，使得更多的患者得到康复训练，降低康复成本，并且采集患者生理信息辅助治疗师合理规划康复计划。但目前的康复机械手多采用多指联动外骨骼式或末端牵引式，未能对各手指进行独立运动控制，对于拇指的僵直状态没有针对性的康复训练方案。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了一种五指独立运动的外骨骼康复机械手装置及方法，本发明能够辅助患者进行五指主被动康复训练任务，包括四指独立屈曲伸展、拇指旋转。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一目的是提供一种五指独立运动的外骨骼康复机械手装置，利用五组独立的机械结构，能够实现患者的五个手指单独运动，包括四指独立屈曲伸展以及拇指的旋转功能。

一种五指独立运动的外骨骼康复机械手装置，包括外骨骼机械手本体、控制系统、直线电机、拇指三维位置传感器和压力传感器，其中：

所述外骨骼机械手本体包括掌背平台，所述掌背平台上的对应位置处依次布设有外骨骼拇指、外骨骼食指、外骨骼中指、外骨骼无名指和外骨骼小指的机械单元，所述直线电机包括六个，分别配置控制不同的机械单元，且均设置于掌背平台上，四指上的每个直线电机单独驱动四指每个机械单元的运动，拇指双直线电机协同控制外骨骼拇指的运动，所述拇指三维位置传感器安装在拇指远端指套末端，实时反馈直线电机运行过程中拇指末端的位置，所述压力传感器固定在外骨骼食指机械单元的远端指套，与使用者的食指远端指节指腹位置相对应，测量食指该处的压力，控制系统接收该采集数据，结合直线电机的位置信号与拇指三维位置传感器的位置信号，控制各个直线电机的运动和/或停止。

进一步的，所述直线电机上内置电位器位置反馈，运行过程中同步输出位置反馈信号。

进一步的，所述掌背平台偏向手指一侧设置有四指近端连接突出轴，四指近端连接突出轴与四指外骨骼手指的机械单元的末端同轴相连，且拇指连接突出轴与外骨骼拇指机械单元末端设置的万向节同轴相连。

进一步的，所述外骨骼食指、外骨骼中指、外骨骼无名指和外骨骼小指的机械单元均包括近端指套、中间指套、远端指套、近端连杆、旋转轴、第一指节旋转构件、第二指节旋转构件和远端连杆，近端指套、中间指套和远端指套依次同轴相连，且近端指套与掌背平台相接，所述近端连杆的一端和直线电机的推杆顶端相连，另一端与旋转轴的一端、第一指节旋转构件同轴相连；旋转轴另一端的孔与掌背平台上突出设置的四指突出支撑轴相连，同轴旋转；第一指节旋转构件下端与近端指套上端相连，同时与第二指节旋转构件相连；第二指节旋转构件的中段位置孔与中间指套上端相连，同时与远端连杆相连；远端连杆与远端指套上端相连。

进一步的，当直线电机向前运动时，带动近端连杆向前运动，与同轴的旋转轴向前旋转，限制了第一指节旋转构件、近端指套的下降范围；直线电机向前运动时，整体外骨骼手指向内弯曲，直线电机向后运动时，整体外骨骼手指向外伸展，从而通过直线电机的运动实现四指独立屈曲伸展康复训练任务。

进一步的，所述外骨骼拇指的机械单元包括万向节、拇指近端指套、拇指中间指套、拇指远端指套、转轴、横向连杆、横向转轴、关节轴承连接杆、关节轴承和多个连杆，所述万向节的一端固定在掌背平台的拇指连接突出轴上，另一端与拇指近端指套相连；拇指近端指套、拇指中间指套、拇指远端指套依次相连；转轴下端与掌背平台相连，上端与杆端球面接头相连，突出轴的中段与连杆相连；杆端球面接头与第一连杆相连，第一连杆一端与第二连杆、第三连杆一端连接在一起，第三连杆的另一端连接在拇指近端指套上；第二连杆的一端与第四连杆和第五连杆的一端连接在一起，第四连杆的另一端连接拇指中间指套，第五连杆另一端连接拇指远端指套。

所述横向连杆一端连接直线电机，一端连接横向转轴；横向转轴底端连接在掌背平台突出平台上；横向转轴顶端连接关节轴承，中段连接横向连杆；两个关节轴承，一个连接横向转轴，另一个连接在拇指近端指套上，中间通过关节轴承连接杆连接在一起。

进一步的，当横向直线电机向前运动时，带动横向转轴旋转，由两个关节轴承传递到拇指近端指套上，带动外骨骼拇指在横向方向上向左运动；当横向直线电机向后运动时，带动外骨骼拇指在横向方向上向右运动。当纵向直线电机向前运动时，带动整体外骨骼拇指向内弯曲；当纵向直线电机向后运动时，带动整体外骨骼拇指向外伸展。通过协同控制横向、纵向两个方向上的两个直线电机的运动来控制外骨骼拇指进行旋转。

本发明的第二目的是提供一种上述机械手装置的使用方法。具体的，具有两种模式。

基于上述装置的被动模式的工作方法，包括以下步骤：

确定使用者基本信息，控制系统初始化，设置训练次数、训练内容；

根据训练次数判断训练是否完成，如果完成，则结束训练，如果没有完成，则根据训练内容控制各个直线电机运行相应指定路程；

直线电机运行指定路程之后保持一定时间的训练动作；

直线电机反向运动指定路程回到起始位置，并在此判断是否满足训练次数，继续训练直到满足训练次数，训练结束。

基于上述装置的主动模式的工作方法，包括以下步骤：

确定使用者基本信息，控制系统初始化，设置训练次数、训练内容和力传感器阈值；

根据训练次数判断训练是否完成，如果完成，则结束训练，并返回输入使用者基本信息步骤，如果没有完成，则判断力传感器是否达到阈值，如果没有达到阈值，则直线电机停止运动，并返回继续判断是否到达阈值，如果达到阈值，则进入主动模式步骤；

主动模式步骤：根据训练内容判断直线电机是否满行程，如果没有满行程，则控制直线电机运动并随时监测力传感器是否达到阈值，如果达到阈值，则直线电机继续运动，如果没有达到阈值，则返回继续判断是否到达阈值；如果直线电机满行程，则直线电机停止运行一定时间后反向运行返回到初始位置；

继续训练，直到训练结束。

确定直线电机的位置时，分析直线电机的受力，根据直线电机的机械性能，确定最终能作用于电机使电机向前运动的有效推力，利用混合模糊逻辑-pid控制系统进行位置控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)本发明的结构简单，能帮助使用者进行手部康复训练，包括五指弯曲、五指伸展、四指弯曲、四指伸展、拇指对掌、食指单独弯曲、拇指食指对捏康复训练，对拇指康复有针对性训练；

2)本发明通过设置外骨骼拇指、外骨骼食指、外骨骼中指、外骨骼无名指和外骨骼小指的机械单元，且每个机械单元对应单独的直线电机，能够实现各手指能独立进行训练，有助于提高康复效果；

3)本发明通过设置拇指三维位置传感器，有助于提高对拇指的控制精度以及康复效果；

4)本发明利用机械手进行辅助康复训练，兼具被动模式和主动模式，能够使患者主动参与康复训练，调动患者的积极性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为外骨骼康复机械手的系统框图；

图2为外骨骼康复机械手的整体结构；

图3为外骨骼食指、外骨骼中指、外骨骼无名指、外骨骼小指的结构；

图4为外骨骼拇指横向的结构；

图5为外骨骼拇指纵向的结构；

图6为掌背平台的结构；

图7为训练方法被动模式流程图；

图8为训练方法主动模式流程图；

图9为直线电机运动模型图；

图10为所采用的改进的混合模糊逻辑-pid控制器；

图11为采用的模糊调整器；

图12为采用的模糊控制器。

图13为拇指运动轨迹；

图14为直线电机协同控制的控制框图；

其中，1为掌背平台、2为直线电机、3为直线电机固定底座、4为外骨骼拇指、5为外骨骼食指、6为外骨骼中指、7为外骨骼无名指、8为外骨骼小指、9为近端指套、10为中间指套、11为远端指套、12为近端连杆、13为螺丝、14为旋转轴、15为第一指节旋转构件、16为第二指节旋转构件、17为远端连杆、18为横向连杆、19为横向转轴、20为关节轴承连接杆、21为关节轴承、22为万向节、23为拇指近端指套、24为拇指中间指套、25为拇指远端指套、26为连杆、27为转轴、28为杆端球面接头、29为连杆、30为连杆、31为连杆、32为连杆、33为连杆、34为四指近端连接突出轴、35为四指突出支撑轴、36为拇指连接突出轴。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请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申请的示例性实施方式。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，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

一种典型的实施方式，参照图1，设计的外骨骼式的康复机械手，包括控制系统、直线电机、外骨骼机械手、拇指三维位置传感器、压力传感器。被动模式下，控制系统直接控制直线电机的运动，从而控制外骨骼机械手的运动；主动模式下，控制系统接收拇指三维位置传感器的数据、压力传感器的数据与6个直线电机的位置数据，控制直线电机的运动。

参照图2，外骨骼机械手包括掌背平台1、直线电机2、直线电机固定底座3、外骨骼拇指4、外骨骼食指5、外骨骼中指6、外骨骼无名指7、外骨骼小指8。

6个直线电机2通过直线电机固定底座3固定在掌背平台1上侧面，下侧面通过绑带固定在手上；偏向手指一侧有四指近端连接突出轴34、拇指连接突出轴36有孔分别和四指外骨骼手指近端指套9、万向节22的孔同轴相连。

参照图3，外骨骼食指5、外骨骼中指6、外骨骼无名指7、外骨骼小指8结构都是一致的，都包含近端指套9、中间指套10、远端指套11、近端连杆12、螺丝13、旋转轴14、第一指节旋转构件15、第二指节旋转构件16、远端连杆17。

外骨骼食指5、外骨骼中指6、外骨骼无名指7、外骨骼小指8的近端连杆12和直线电机2的推杆顶端通过螺丝相连；近端指套9、中间指套10、远端指套11依次通过相应的孔用螺丝同轴相连；近端连杆12另一端与旋转轴14、两个第一指节旋转构件15右端通过孔用螺丝13同轴相连；旋转轴14另一端的孔与掌背平台1上突出的四指突出支撑轴35上圆孔通过螺丝相连，同轴旋转；第一指节旋转构件15下端通过孔用螺丝与近端指套9上端相连，左端通过孔用螺丝与第二指节旋转构件16相连；第二指节旋转构件16的中段位置孔与中间指套10上端用螺丝相连，右端孔用螺丝与远端连杆17孔相连；远端连杆17另一端的孔与远端指套11上端通过螺丝相连；当直线电机2向前运动时，带动近端连杆12向前运动，与螺丝13同轴的旋转轴14向前旋转，限制了第一指节旋转构件15、近端指套9的下降范围；直线电机2向前运动时，整体外骨骼手指向内弯曲，直线电机向后运动时，整体外骨骼手指向外伸展，从而通过直线电机的运动实现四指独立屈曲伸展康复训练任务。

压力传感器采用压阻式薄膜压力传感器，只有一个，安装在患者食指远端指节指腹，随绷带固定在外骨骼食指远端指套，测量食指该处的压力。

参照图4，外骨骼拇指4的横向结构，包含横向连杆18、横向转轴19、关节轴承连接杆20、关节轴承21。

横向连杆18一端连接直线电机，一端连接横向转轴19；横向转轴19底端连接在掌背平台1突出平台上，只能在突出平台所在平面运动；横向转轴19顶端连接关节轴承21，中段连接横向连杆18；两个关节轴承21，一个连接横向转轴19，另一个连接在拇指近端指套23上，中间通过关节轴承连接杆20连接在一起。

直线电机2向前运动时，带动横向转轴19旋转，由两个关节轴承21传递到拇指近端指套23上，带动外骨骼拇指在横向方向上向左运动；直线电机2向后运动时，带动外骨骼拇指在横向方向上向右运动。

参照图5，外骨骼拇指4的纵向结构，包含万向节22、拇指近端指套23、拇指中间指套24、拇指远端指套25、连杆30、转轴27、杆端球面接头28、连杆33、连杆30、连杆31、连杆32、连杆33。

万向节22一端固定在掌背平台1的拇指连接突出轴36上，另一端与拇指近端指套23相连；拇指近端指套23、拇指中间指套24、拇指远端指套25依次通过孔用螺丝相连；转轴27下端与掌背平台1相连，上端与杆端球面接头28相连，中段的突出轴与连杆30相连；杆端球面接头28左端与连杆33相连；连杆33一端与连杆31、连杆30一端连接在一起，连杆30另一端连接在拇指近端指套23上；连杆31一端与连杆33、连杆32一端连接在一起，连杆32另一端连接拇指中间指套24，连杆33另一端连接拇指远端指套25。

直线电机2向前运动时，带动整体外骨骼拇指向内弯曲；直线电机2向后运动时，带动整体外骨骼拇指向外伸展。

通过协同控制横向、纵向两个方向上的两个直线电机的运动来控制外骨骼拇指进行旋转。

参照图6，四指近端连接突出轴34分别与四指的近端指套9连接，四指突出支撑轴35分别与四指的旋转轴14连接，拇指连接突出轴36与万向节22连接。

基于上述装置的工作方法，包括被动模式与主动模式：

参照图7，被动模式包括以下步骤：

(1-1)输入患者基本信息，控制系统初始化，设置训练次数、训练内容；

(1-2)根据训练次数判断训练是否完成，如果完成，则结束训练，并进入步骤(1-6)，如果没有完成，则进入步骤(1-3)；

(1-3)如果训练没有完成，则接下来根据训练内容控制6个直线电机运行相应指定路程；

(1-4)直线电机停止3秒，即直线电机运行指定路程之后保持3秒的训练动作；

(1-5)直线电机反向运动指定路程回到起始位置，并返回步骤(1-2)；

(1-6)提示是否进行新的训练，如果是，则返回被动模式步骤(1-1)，如果不是，则结束；

参照图8，主动模式包括以下步骤：

(2-1)输入患者基本信息，控制系统初始化，设置训练次数、训练内容、力传感器阈值；

(2-2)根据训练次数判断训练是否完成，如果完成，则结束训练，并返回输入患者基本信息步骤，如果没有完成，则进入(2-3)；

(2-3)判断力传感器是否达到阈值，如果没有达到阈值，则直线电机停止运动，并返回步骤(2-3)，如果达到阈值，则进入主动模式步骤(2-4)；

(2-4)根据训练内容判断直线电机是否满行程，如果没有满行程，则控制直线电机运动并随时监测力传感器是否达到阈值，如果达到阈值，则直线电机继续运动，如果没有达到阈值，则返回到步骤(2-3)；如果直线电机满行程，则直线电机停止运行3秒后反向运行返回到初始位置；

(2-5)提示是否进行新的训练，如果是，则返回步骤(2-1)，如果不是，则结束。

直线电机采用的是位置控制，控制系统接收直线电机反馈出来的位置信号，控制直线电机的运动和停止。

当然，上述的3秒仅仅是示例，在其他实施例中可以进行替换。

参照图9，直线电机运动模型图，分析直线电机的受力。

直线电机的机械特性如下：

最大摩擦力f2max为：

f2max＝μ(f3+mg)+f4(2)

并且，摩擦力f2为：

其中μ为摩擦系数，g为重力加速度，f4为静摩擦力，f5为滑动摩擦力。

最终能作用于电机使电机向前运动的有效推力f6为：

f6＝f1-f2(4)

当直线电机运动时，有如下关系：

参照图10，为所采用的改进的混合模糊逻辑-pid控制器，用于对直线电机反馈的位置信号进行进一步处理。包含pid控制器、模糊逻辑控制器和模糊选择器。

err为反馈误差，δerr为误差err的导数，t时刻的反馈误差定义为设定位置值pdes(t)与实际位置信号prel(t)的差值：

err(t)＝pdes(t)-prel(t)(6)

pid控制器与模糊逻辑控制器的混合输出如下：

o(t)＝rpidopid(t)+rfuzofuz(t)(7)

其中，rpid、rfuz分别为pid控制器与模糊逻辑控制器的输出系数，opid(t)、ofuz(t)分别为pid控制器与模糊逻辑控制器的输出。

控制器的混合输出控制直线电机的运动。模糊选择器是基于err与δerr由相应的隶属度方程调整模糊控制器的输出系数rfuz，以下表格是模糊选择器的线性规则：

而pid控制器的输出系数计算如下：

rpid＝1-rfuz(8)

pid控制器、模糊逻辑控制器和模糊选择器都接收直线电机位置反馈信号的反馈误差和反馈误差的导数，由模糊调整期输出pid控制器的控制参数，模糊选择器输出pid控制器和模糊逻辑控制器的输出系数，然后pid控制器和模糊逻辑控制器分别输出控制信号，乘以各自对应的输出系数之后求和，作为混合模糊逻辑-pid控制器的输出控制信号，控制信号控制直线电机的运动。

参照图11，为采用的模糊调整器。

模糊调整器用于根据直线电机参数调整相应的pid控制参数kp,ki,kd。其中，err为归一化的反馈误差，δerr为归一化的误差err的导数。k1,k2是归一化参数，进行归一化使得err与δerr在[-1,1]范围内。模糊调整器的模糊规则如下表：

根据err与δerr的值由相应的隶属度方程调整kp,ki,kd的值到[0,1]范围。

参照图12，为采用的模糊控制器。

模糊控制器的模糊规则如下：

if:err是a，δerr是b；

then:模糊控制输出是δo

线性规则如下表：

其中，nb、n、z、p、pb为模糊语言变量，依次代表负极值，负，0，正，正极值，即五个分界值-1,-0.5,0,0.5,1。根据模糊规则以及线性规则表确定模糊逻辑控制器输出δo∈[0,1]。

pid控制器的输出结果如下：

参照图13，拇指运动轨迹，为半个椭圆，椭圆中心为(h,k)，a,b为椭圆参数，拇指初始位置i。对于作用于拇指的两个直线电机，靠近食指直线电机的电机为一号电机，电机伸长长度为l1；另一个拇指直线电机为二号电机，电机伸长长度为l2。拇指运动轨迹与l1、l2关系如下：

由初始位置i(0,0)，有：

由已设定的(h,k)，选择合适的满足公式(11)的a,b参数，构建运动轨迹协同控制模式。首先通过位置控制设定好一号电机l1的运动模式，再由公式(10)规划出相配合的二号电机l2的运动模式，实现两个电机对拇指运动的协同控制。

参照图14，直线电机系统控制的控制框图。其中，pndes为四指四个直线电机理想设定位置；pnrel为四指四个直线电机实际的位置反馈，即pnf；相对应的，l1des与l2des为拇指两个直线电机设定位置；l1rel与l2rel为拇指两个直线电机实际位置反馈，即p1f与p2f。

位置误差e(e1,e2,e3)计算公式如下：

e＝ldes-pf(12)

其中，ldes(l1des,l2des,pndes)为直线电机设定位置，pf(p1f,p2f,pnf)为直线电机实际位置反馈。

直线电机通过混合模糊逻辑-pid控制器控制，改变控制器输出o(o1,o2,on)以控制直线电机运动。

拇指双电机协同控制在于，在t时刻，l1des(t)与l2des(t)满足公式(1)，即：

同时，在拇指远端指套25末端安装有三维位置传感器，实时反馈直线电机运行过程中拇指末端的位置，辅助调整控制系统对拇指双直线电机位置的设定值。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

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。