一种复合控制系统的可穿戴式手部康复装置的制作方法

本发明涉及手部康复装置技术领域，具体涉及一种复合控制系统的可穿戴式手部康复装置。

背景技术：

近年来康复装置的发展受到越来越多的关注，依据物理疗法和运动疗法的原理设计外骨骼设备用于临床和家庭康复等可以帮助患者肢体肌肉得到锻炼以及神经重塑。在康复科学中，手部康复在神经可塑性中起着关键和独特的作用，这为中风和脊髓损伤后运动功能的恢复提供了基础。同时，由于手部功能所需的感觉运动控制的复杂性以及操作能力的广泛恢复，手部康复极其具有挑战性。

现有的手部康复装置大多数训练模式为固定平台式的，专利cn201110121085中介绍了“固定式外骨骼康复训练机械手”它主要用于康复应用，固定在基础平台上而不是可穿戴设备。这些康复设备具有大型，笨重，不可穿戴的特点，不适合患者携带和进行持续训练。

现阶段的相关研究主要集中在手指姿态运动控制上，对于外骨骼和人手的接触力控制研究较少。专利cn20171068531中介绍了“一种控制机械手运动的方法、装置及系统”它主要通过加入鲁棒算法的滑模控制器将跟踪信号加载到机械手的跟踪信号来提高机械手控制系统的稳定性。对于一些康复训练任务，如带动患者肢体做特定动作，对肌肉起到牵引作用的任务，外骨骼只需要运动控制就够了。对于另一些任务，由于环境刚度以及环境位置的未知都会导致机械手在完成抓握任务的过程中存在力跟踪误差，如患者在外骨骼的辅助下练习抓握触碰动作，就需要对外骨骼人机接触力进行控制；同时，如果考虑手部外骨骼使用过程中的舒适性、接触柔顺性，也同样需要关注人机接触力。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷或不足，提供了一种复合控制系统的可穿戴式手部康复装置。该装置具有轻巧、可穿戴以及可调节适应不同手部尺寸的特点；同时，利用两个独立的直线电机分别驱动四指执行机构和拇指执行机构的运动，可实现四指执行机构与拇指执行机构协同运动以及独立运动两种不同的运动模式。而且，针对四指执行机构设置有位置跟踪控制系统，可实现四指执行机构的精确位置控制；针对拇指执行机构设置有力跟踪控制系统，可对指尖接触力进行力补偿以实现稳定的抓握。

本发明的目的通过如下技术方案实现。

一种复合控制系统的可穿戴式手部康复装置，包括固定板、四指模块、拇指模块、力跟踪控制系统以及位置跟踪控制系统；

所述四指模块和拇指模块设置在所述固定板上；

所述四指模块包括四指执行机构以及第一电机；所述四指执行机构包括食指、中指、无名指以及小指四根手指的手指执行机构；所述四指执行机构沿四指的屈伸方向连接设置在所述固定板的一端，并由所述第一电机驱动屈伸；

所述拇指模块包括拇指执行机构以及第二电机；所述拇指执行机构沿四指的屈伸方向设置在所述固定板的侧边，并可沿所述固定板转动；所述拇指执行机构由所述第二电机驱动屈伸；

所述力跟踪控制系统用于跟踪控制所述拇指执行机构实现接触力补偿，以达到稳定抓握的状态。

所述位置跟踪控制系统用于跟踪控制所述四指执行机构的食指、中指、无名指以及小指四根手指执行机构的位置姿态。

优选的，所述第一电机的输出端通过平面连杆机构与所述四指执行机构传动连接；所述平面连杆机构设置在所述固定板上；

所述第一电机的输出端通过第一连接块可转动的与所述平面连杆机构的一端连接，所述平面连杆机构的另一端通过联杆转动轴与所述四指执行机构的指根部传动连接。

优选的，食指、中指、无名指以及小指四根手指的所述手指执行机构均包括两根可调长度式指杆和指节固定件；

两根所述可调长度式指杆之间通过螺栓连接；

所述可调长度式指杆包括指杆前螺纹件、指杆螺纹套筒以及指杆后螺纹件三部分，其中，所述指杆前螺纹件和指杆后螺纹件分别通过螺纹连接在所述指杆螺纹套筒的两端；

所述指节固定件包括近指节固定件和远指节固定件；所述近指节固定件可转动的连接设置在所述手指执行机构的指根部，所述远指节固定件可转动的连接设置在所述手指执行机构的指尖端；

更优选的，所述近指节固定件和远指节固定件的外观均呈开放式圆弧状，且内侧与手指外部形状类似，而边缘有槽孔，用固定带穿过槽孔联接并固定人手指指节。

更优选的，所述固定板的连接设置所述四指执行机构的一端的端部上具有指根固定件；所述近指节固定件可转动的设置在所述指根固定件上。

优选的，所述拇指执行机构通过可调角度固定件设置在所述固定板的侧边，从而可沿所述固定板转动；所述可调角度固定件通过铰链可转动的连接设置在所述固定板的侧边，所述可调角度固定件上具有指根固定件，所述拇指执行机构的指根部可转动的设置在所述指根固定件上。

优选的，所述拇指执行机构包括拇指指节固定件；所述拇指指节固定件的外观均呈开放式圆弧状，且内侧与手指外部形状类似，而边缘有槽孔，用固定带穿过槽孔联接并固定人拇指指节；

所述第二电机的输出端通过第二连接块和平面连杆输出件与所述拇指指节固定件可转动连接。

优选的，所述力跟踪控制系统包括第一控制器、食指压力传感器和拇指压力传感器；

所述第一控制器与所述食指压力传感器和拇指压力传感器连接，且所述第一控制器与所述第二电机伺服连接；

所述食指压力传感器固定设置在所述四指执行机构的食指手指执行机构的指尖上，且工作时与人食指指腹表面相贴合；

所述拇指压力传感器固定设置在所述拇指执行机构的指尖上，且工作时与人拇指指腹表面相贴合。

更优选的，所述力跟踪控制系统的控制策略包括如下步骤：

s1、预设理想的力跟踪轨迹作为输入信号；

s2、通过所述第一控制器将所述输入信号传递给到所述第二电机，进行指尖接触力误差调整，实现所述拇指执行机构的接触力补偿；

s3、输出实际的指尖接触力变化轨迹。

优选的，所述位置跟踪控制系统包括第二控制器，所述第二控制器与所述第一电机伺服连接。

更优选的，所述位置跟踪控制系统的控制策略包括如下步骤：

s1、预设理想的位置跟踪轨迹作为输入信号；

s2、通过所述第二控制器将所述输入信号传递给到所述第一电机，进行位置误差调整，控制所述四指执行机构的位置姿态；

s3、输出实际的运动轨迹。

针对四指执行机构21与拇指执行机构31相互独立运动的模式对手部康复装置的姿态和接触力进行控制，采用力跟踪控制系统4和位置跟踪控制系统5结合的控制策略。其中位置跟踪控制系统5为力跟踪控制系统4的控制内环，在力跟踪控制系统4中，力跟踪控制系统4的接触力偏差信号可转变为位置补偿量并反馈至位置控制内环进行位置控制补偿，通过位置控制补偿，从而带动手指执行机构相期望位置运动，并达到期望接触力。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

(1)本发明的手部康复装置轻巧，可穿戴，并且拇指执行机构通过可调角度固定件可转动的设置在固定板的侧边，实现拇指模块的角度调节，从而实现可调节适应不同手部尺寸的特点；

(2)本发明的手部康复装置利用两个独立的电机分别驱动四指执行机构和拇指执行机构的运动，可实现四指执行机构与拇指执行机构协同运动以及独立运动两种不同的运动模式；

(3)本发明的手部康复装置基于两个独立电机的独立运动和协同运动模式，针对四指执行机构设置有位置跟踪控制系统，实现四指执行机构的食指、中指、无名指以及小指四根手指的手指执行机构位置姿态的精确跟踪控制；同时，针对拇指执行机构设置有力跟踪控制系统实现拇指执行机构的手指接触力的力补偿，从而达到稳定抓握的目的。

附图说明

图1为具体实施例中本发明复合控制系统的可穿戴式手部康复装置的结构示意图；

图2为具体实施例中本发明复合控制系统的可穿戴式手部康复装置的固定板与可调角度固定件的连接结构示意图；

图3为具体实施例中本发明复合控制系统的可穿戴式手部康复装置的四指模块的结构示意图；

图4为具体实施例中本发明复合控制系统的可穿戴式手部康复装置的拇指模块的结构示意图；

图5为具体实施例中本发明复合控制系统的控制策略流程示意图；

附图标注：1-固定板，10-电机固定件，2-四指模块，21-四指执行机构，211-可调长度式指杆，2111-指杆前螺纹件，2112-指杆螺纹套筒，2113-指杆后螺纹件，212-指节固定件，2121-近指节固定件，2122-远指节固定件，22-第一电机，23-平面连杆机构，24-第一连接块，25-联杆转动轴，3-拇指模块，31-拇指执行机构，311-拇指指节固定件，312-指节固定件连接杆，32-第二电机，33-第二连接块，4-力跟踪控制系统，41-第一控制器，42-食指压力传感器，43-拇指压力传感器，5-位置跟踪控制系统，51-第二控制器，6-指根固定件，7-平面连杆输出件，8-可调角度固定件。

具体实施方式

以下结合具体实施例及附图对本发明的技术方案作进一步详细的描述，但本发明的保护范围及实施方式不限于此。

实施例1

本实施例的一种复合控制系统的可穿戴式手部康复装置，参见图1所示，包括固定板1、四指模块2、拇指模块3、力跟踪控制系统4以及位置跟踪控制系统5。

所述四指模块2和拇指模块3设置在所述固定板1上。四指模块2和拇指模块3紧凑的装设在固定板1上，使整体装置具有轻巧的特点。而且，在固定板1的沿四指屈伸的方向两侧边上均开设有槽孔，在进行工作时，可通过固定带与槽孔配合将人手的腕部与固定板1固定，实现穿戴。

所述四指模块2包括四指执行机构21以及第一电机22；所述四指执行机构21包括食指、中指、无名指以及小指四根手指的手指执行机构；所述四指执行机构21沿四指的屈伸方向连接设置在所述固定板1的一端，并由所述第一电机22驱动屈伸。

而所述拇指模块3包括拇指执行机构31以及第二电机32；所述拇指执行机构31沿四指的屈伸方向设置在所述固定板1的侧边，并可沿所述固定板1转动；所述拇指执行机构31由所述第二电机32驱动屈伸。

其中，第一电机22和第二电机32均为直线电机，并且采用的直线电机具有位置检测与反馈功能。四指执行机构21和拇指执行机构31分别通过独立的第一电机22和第二电机32驱动，第一电机22和第二电机32可接收同一控制信号实现四指与拇指的协同运动，或者第一电机22和第二电机32接收不同的控制信号进行四指与拇指的独立运动。

本实施例中，具体参见图2所示，在固定板1的远离所述四指执行机构21的一端具有电机固定件10，第一电机22装设在电机固定件10上。

所述第一电机22的输出端通过平面连杆机构23与所述四指执行机构21传动连接；所述平面连杆机构23设置在所述固定板1上。本实施例中，平面连杆机构23选用为平面四连杆机构。

所述第一电机22的输出端通过第一连接块24可转动的与所述平面连杆机构23的移动副的一端连接，所述平面连杆机构23的移动副的另一端通过联杆转动轴25与所述四指执行机构21的指根部传动连接。四指执行机构21的指根部均同时传动连接在联杆转动轴25上，在第一电机22通过平面连杆机构23传动驱动联杆转动轴25运动时，联杆转动轴25可同时联动带动四指执行机构21的各手指执行机构同步运动。

具体参见图3所示，食指、中指、无名指以及小指四根手指的所述手指执行机构均包括两根可调长度式指杆211和指节固定件212。

两根所述可调长度式指杆211之间通过螺栓连接，实现模拟手指关节角度可调的转动。

而所述可调长度式指杆211包括指杆前螺纹件2111、指杆螺纹套筒2112以及指杆后螺纹件2113三部分。其中，所述指杆前螺纹件2111和指杆后螺纹件2113分别通过螺纹连接在所述指杆螺纹套筒2112的两端，并且具体的，指杆前螺纹件2111位于指杆螺纹套筒2112的近指端，而指杆后螺纹件2113位于指杆螺纹套筒2112的远指端。两根可调长度式指杆211之间，前一可调长度式指杆211的指杆前螺纹件2111与后一可调长度式指杆211的指杆后螺纹件2113通过螺栓连接。通过指杆前螺纹件2111和指杆后螺纹件2113与指杆螺纹套筒2112之间的螺纹旋转连接，可进行可调长度式指杆211的长度尺寸调整，以适应不同的手指长度尺寸。

所述指节固定件212包括近指节固定件2121和远指节固定件2122；所述近指节固定件2121可转动的连接设置在所述手指执行机构的指根部，所述远指节固定件2122可转动的连接设置在所述手指执行机构的指尖端。而且，所述近指节固定件2121和远指节固定件2122的外观均呈开放式圆弧状，且内侧与手指外部形状类似，而边缘有槽孔，用固定带穿过槽孔联接并固定人手指指节，从而实现本实施例的康复装置可穿戴的功能，并可适应不同的手指尺寸。

在优选的实施例中，所述固定板1的连接设置所述四指执行机构21的一端的端部上具有指根固定件6；所述近指节固定件2121通过指节固定件连杆可转动的设置在所述指根固定件6上。本实施例中，平面连杆机构23的一转动副可转动的设置在固定板1上并位于指根固定件6与电机固定件10之间，另一转动副与连接近指节固定件2121的指节固定件连杆通过螺栓连接并可转动的设置在固定板1的指根固定件6上。

参见图4所示，本实施例中，所述拇指执行机构31通过可调角度固定件8设置在所述固定板1的侧边，从而可沿所述固定板1转动。其中，所述可调角度固定件8通过铰链可转动的连接设置在所述固定板1的侧边；而且，所述可调角度固定件8上具有指根固定件6，所述拇指执行机构31的指根部可转动的设置在所述指根固定件6上。

具体的，本实施例中，所述拇指执行机构31包括拇指指节固定件311。所述拇指指节固定件311的外观均呈开放式圆弧状，且内侧与手指外部形状类似，而边缘有槽孔，用固定带穿过槽孔联接并固定人拇指指节，从而实现本实施例的康复装置可穿戴的功能。

所述第二电机32的输出端通过第二连接块33和平面连杆输出件7与所述拇指指节固定件311可转动连接。具体的，拇指指节固定件311通过指节固定件连杆312可转动的连接设置在可调角度固定件8的指根固定件6上，第二电机32的输出端与第二连接块33可转动连接，而第二连接块33与平面连杆输出件7通过螺栓可转动连接，平面连杆输出件7与指节固定件连杆312亦通过螺栓可转动连接。

而且，具体参见图4所示，第二电机32通过另一可调角度固定件8可转动的连接设置在固定板1的侧边。另一可调角度固定件8上亦设置有电机固定件10，第二电机32设置在可调角度固定件8的电机固定件10上。如此，实现拇指模块3的拇指执行机构31和第二电机32均可沿固定板1转动，拇指模块3与固定板1之间的角度可调，从而使整体装置具有可调节适应不同手部尺寸的特点。

本实施例中，所述力跟踪控制系统4用于跟踪控制所述拇指执行机构31的抓握状态，以得到稳定的抓握力。所述力跟踪控制系统4包括第一控制器41、食指压力传感器42和拇指压力传感器43。所述第一控制器41与所述食指压力传感器42和拇指压力传感器43连接，且所述第一控制器41与所述第二电机32伺服连接。

所述食指压力传感器42固定设置在所述四指执行机构21的食指手指执行机构的指尖上，且工作时与人食指指腹表面相贴合；所述拇指压力传感器43固定设置在所述拇指执行机构31的指尖上，且工作时与人拇指指腹表面相贴合。食指压力传感器42和拇指压力传感器43设置在食指和拇指的手指执行机构的指尖上，用于检测感应装置在工作时指尖接触力的变化。

力跟踪控制系统4的控制策略是根据装置的指尖接触力与其位置之间的动态关系，通过控制第二电机32而达到控制指尖接触力的目的。本实施例中，具体参见图5所示，所述力跟踪控制系统4的控制策略包括如下步骤：

s1、预设理想的力跟踪轨迹作为输入信号；

s2、通过第一控制器41将所述输入信号传递给到所述第二电机32，第二电机32运转，进行指尖接触力误差调整，实现拇指执行机构31的接触力补偿；

s3、输出实际的指尖接触力变化轨迹；具体根据第二电机32的运转情况以及指尖接触力情况，输出实际指尖接触力变化轨迹。

在s2中，所述接触力补偿基于pd控制的公式为：其中，u(t)为输出，e(t)为输入(e(t)＝fd-fc)，fd为期望力，fc为实际力，kp为比例项系数，kd为微分项系数。

本实施例中，所述位置跟踪控制系统5用于跟踪控制所述四指执行机构21的食指、中指、无名指以及小指四根手指执行机构的位置姿态。所述位置跟踪控制系统5包括第二控制器51，所述第二控制器51与所述第一电机22伺服连接。

位置跟踪控制系统5根据第一电机22的位移和运动力矩向量之间的映射关系，控制第一电机22的工作，从而实现对四指执行机构21的各手指执行机构的运动位置调整，得到更加精确的运动状态。本实施例中，具体参见图5所示，所述位置跟踪控制系统5的控制策略包括如下步骤：

s1、预设理想的位置跟踪轨迹作为输入信号，具体根据第一电机22的位移和运动力矩向量之间的映射关系而得到期望运动轨迹并作为输入信号；

s2、通过第二控制器51将所述输入信号传递给到装置的所述第一电机22，第一电机22运转，进行位置误差调整，控制所述四指执行机构21的位置姿态；

s3、输出实际的运动轨迹；具体根据第一电机22的运转情况，输出实际运动轨迹；

在s2中，所述位置误差调整基于pi控制的公式为：其中u(t)为输出，e(t)为输入(e(t)＝xd-xc)，xd为期望位置，xc为实际位置，kp为比例项系数，ki为积分项系数；

位置跟踪控制系统5根据输出的实际运动轨迹可分析装置的运动位置姿态的精确性。

针对四指执行机构21与拇指执行机构31相互独立运动的模式对手部康复装置的姿态和接触力进行控制，采用力跟踪控制系统4和位置跟踪控制系统5结合的控制策略。如图5所示，工作策略包括如下步骤：

s1、根据物体的体积大小预设理想的位置跟踪轨迹作为位置跟踪控制系统5的位置输入信号，根据物体的材质和重量预设适当的力作为力跟踪控制系统4的力输入信号；

s2、通过所述第二控制器51将所述位置输入信号传递到所述第一电机22，进行位置误差调整；通过所述第一控制器41将所述力输入信号传递到所述第二电机32，根据接触力信号的稳定情况进行实时的力补偿；

s3、位置跟踪控制系统5输出实际的运动轨迹，同时四指执行机构21保持在运动轨迹的末端姿态，力跟踪控制系统4输出稳定抓握过程的接触力信号。

本实施例中，基于第一电机22和第二电机32的独立运动，通过同时运行两种控制系统，实现对复合控制系统的手部康复装置的位置姿态以及接触力的控制，达到稳定抓握物体的目的。其中，位置跟踪控制系统5为力跟踪控制系统4的控制内环。在力跟踪控制系统4中，力跟踪控制系统4的接触力偏差信号可转变为位置补偿量并反馈至位置控制内环进行位置控制补偿，通过位置控制补偿，从而带动手指执行机构相期望位置运动，并达到期望接触力。通过力跟踪控制系统4对装置的指尖接触力进行跟踪控制，根据输出的实际指尖接触力变化轨迹可分析装置抓握的稳定性，并克服了环境刚性和环境位置的不确定性。

以上实施例仅为本发明的较优实施例，仅在于对本发明的技术方案作进一步详细的描述，但本发明的保护范围及实施方式不限于此，任何未脱离本发明精神实质及原理下所做的变更、组合、删除、替换或修改等均将包含在本发明的保护范围内。