CN114147741B - 基于冗余控制的多自由度可穿戴外骨骼手功能康复机器人 - Google Patents
基于冗余控制的多自由度可穿戴外骨骼手功能康复机器人 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种基于冗余控制的多自由度可穿戴外骨骼手功能康复机器人，包括：掌背平台、以及设于掌背平台上的手指连杆机构、舵机、压力传感器和控制模块；所述手指连杆机构包括手指平台和多自由度连杆，所述多自由度连杆具有多个关节，且每个关节由单独舵机驱动；所述手指平台上设有压力传感器，用于检测抓握过程中的指尖力；所述控制模块根据目标指尖位置模拟指尖运动轨迹，根据指尖运动轨迹控制舵机的扭矩，以驱动舵机转动；并根据实际指尖力和目标指尖力的差值，以及实际指尖位置和目标指尖位置的差值，控制调整舵机的扭矩和转动速度。采用冗余控制根据指尖位置精确估计运动轨迹，采用力反馈控制对指尖力进行调节，提高抓握过程的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及康复机器人技术领域，特别是涉及一种基于冗余控制的多自由度可穿戴外骨骼手功能康复机器人。
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。
手是一种非常灵活和精密的器官，拥有多自由度的运动关节和复杂的神经肌肉结构，在日常生活中起着不可替代的作用。然而，由于人体的老化，或各种疾病和事故等引发的手部功能损伤和障碍，严重影响手部的正常活动，降低患者的生产效率和生活质量。例如，脑卒中是导致手功能受损的常见疾病之一。大多数的脑卒中患者会伴随单侧手功能的丧失，考虑到康复训练师的数目远远达不到需求，越来越多的人采用基于可穿戴外骨骼机器人的方法帮助患者进行手功能康复训练。
目前对于可穿戴外骨骼手功能机器人的设计开发较多，但大多数机器人的自由度都比较低，康复训练模式单一，并不能起到很好的效果；同时，很多手功能机器人佩戴不舒适，并不能达到对所有患者的手部尺寸的适用，无法实现方便自由的穿戴式训练。所以目前仍没有相关的手功能机器人能够提供高自由度、具有人机交互功能的穿戴式手功能训练。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于冗余控制的多自由度可穿戴外骨骼手功能康复机器人，设计连杆式的手功能康复机器人，手指连杆机构固定在掌背平台上，多自由度连杆之间嵌套连接，实现手指的旋转和弯曲功能；在抓握过程中，采用冗余控制根据指尖位置精确估计运动轨迹，采用力反馈控制方法对抓握过程中的指尖力进行精准调节，提高抓握过程的稳定性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种基于冗余控制的多自由度可穿戴外骨骼手功能康复机器人，包括：掌背平台、以及设于掌背平台上的手指连杆机构、舵机、压力传感器和控制模块；
所述手指连杆机构包括手指平台和多自由度连杆，所述多自由度连杆具有多个关节，且每个关节由单独舵机驱动；所述手指平台上设有压力传感器，用于检测抓握过程中的指尖力；
所述控制模块根据目标指尖位置模拟指尖运动轨迹，根据指尖运动轨迹控制舵机的扭矩，以驱动舵机转动；并根据实际指尖力和目标指尖力的差值，以及实际指尖位置和目标指尖位置的差值，控制调整舵机的扭矩和转动速度。
作为可选择的实施方式，所述多自由度连杆包括手指连杆底部、第一指间连杆、第二指间连杆、第三指间连杆和指尖连杆；
所述手指连杆底部通过锥齿轮与舵机连接，以使手指连杆机构产生掌指关节的弯曲伸展；
所述第一指间连杆套接在手指连杆底部上，以产生水平面内的旋转自由度，实现手指连杆机构的打开与并拢；
所述第二指间连杆套接在第一指间连杆上，以实现近端指间关节的弯曲伸展；
所述第三指间连杆扣接在第二指间连杆上，在第三指间连杆和第二指间连杆之间实现水平面内的旋转自由度；
所述指尖连杆套接在第三指间连杆上，以实现冠状面的弯曲。
作为可选择的实施方式，所述手指平台套接在指尖连杆上，以实现远端指间关节的弯曲。
作为可选择的实施方式，所述控制模块在规划指尖运动轨迹时，引入关节运动阻抗，通过阻尼系数对多自由度连杆的运动进行约束，以满足各关节的运动极限以及关节运动速度。
作为可选择的实施方式，所述手指连杆机构包括外骨骼小指、外骨骼无名指、外骨骼中指、外骨骼食指和外骨骼拇指，均在掌背平台的对应位置处依次布设，且由单独的舵机进行控制。
作为可选择的实施方式，所述手指平台上固定有圆环套，通过圆环套使手指平台固定在手指上。
第二方面，本发明提供一种基于上述多自由度可穿戴外骨骼手功能康复机器人的控制方法，包括：
根据目标指尖位置规划指尖运动轨迹，根据指尖运动轨迹控制舵机的扭矩，以驱动舵机转动；
获取抓握过程中的实际指尖力和实际指尖位置，根据实际指尖力和目标指尖力的差值，以及实际指尖位置和目标指尖位置的差值，控制调整舵机的扭矩和转动速度。
作为可选择的实施方式，在规划指尖运动轨迹时，引入关节运动阻抗，通过阻尼系数对多自由度连杆的运动进行约束，以满足各关节的运动极限以及关节运动速度。
作为可选择的实施方式，所述目标指尖位置和目标指尖力为在抓握过程中确保指尖完全贴合抓握物体的指尖位置以及完全抓握时的指尖力。
作为可选择的实施方式，根据实际指尖力和目标指尖力的差值，以及实际指尖位置和目标指尖位置的差值，控制调整舵机的扭矩，同时对实际指尖力和目标指尖力的差值微分后转化为目标转动速度，以控制调整舵机的转动速度。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提出一种基于力反馈的冗余空间位置控制的连杆式多自由度可穿戴外骨骼手功能康复机器人，采用冗余控制根据指尖位置精确估计运动轨迹，采用力反馈控制方法对抓握过程中的指尖力进行估计并精准调节，提高抓握过程的稳定性；使用者指尖完全与物体接触，保留指尖的触觉感知能力，在手功能的临床康复训练中有着重要意义。
本发明基于人体工效学原理和日常行为学分析，设计连杆式手功能康复机器人，五根手指固定在掌背平台上，连杆之间嵌套连接，实现手指的旋转和弯曲功能，连杆最前端用环状结构套在手指上，避免影响指尖的触觉感知。连杆机构仅在指尖固定在手上，采用多自由度的冗余控制方式驱动，可以精确控制指尖的位置，每根手指包含6个自由度，适合手指长度不同的人，穿戴舒适。
本发明实现基于多自由度冗余控制的指尖精准位置控制，根据期望的指尖位置模拟出指尖运动的空间轨迹，将关节运动向量转化为连杆空间运动向量，从而计算出连杆各关节处舵机的扭矩；并且考虑到人手各关节的运动极限以及关节运动速度，引入人体阻尼系数对连杆运动进行约束；使用积分控制器消除外界扰动，增强控制***的鲁棒性，达到精准位置控制的目的。
本发明基于力反馈控制算法实时调节指尖力。在抓握过程中估计指尖位置以及完全抓握时指尖的力，以确保指尖完全贴合抓握物体。精准指尖力的调节既提升了指尖的感知作用，又能确保抓握的鲁棒性。
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提供的基于冗余控制的多自由度可穿戴外骨骼手功能康复机器人的整体结构图；
图2为本发明实施例1提供的手指连杆机构示意图；
图3为本发明实施例1提供的基于指尖力反馈的冗余空间位置控制示意图；
图4为本发明实施例1提供的基于指尖力反馈的冗余空间位置控制流程图；
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、外骨骼拇指，6、蓝牙模块，7、电池模块，8、舵机，9、控制模块，10、掌背平台，11、微型舵机，12为锥齿轮，13为手指连杆底部，14为第一指间连杆，15为第二指间连杆，16为第三指间连杆，17为指尖连杆，18为手指平台，19为压力传感器，20为圆环套。
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、***、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
如图1所示，本实施例提供一种基于冗余控制的多自由度可穿戴外骨骼手功能康复机器人，包括：掌背平台10、以及设于掌背平台上的手指连杆机构、舵机、压力传感器19、控制模块9、蓝牙模块6以及电池模块7；
所述手指连杆机构包括手指平台18和多自由度连杆，所述多自由度连杆具有多个关节，且每个关节由单独舵机驱动；所述手指平台18上设有压力传感器19，用于检测抓握过程中的指尖力；
所述控制模块9根据目标指尖位置模拟指尖运动轨迹，根据指尖运动轨迹控制舵机的扭矩，以驱动舵机转动；根据实际指尖力和目标指尖力的差值，以及根据实际指尖位置和目标指尖位置的差值，控制调整舵机的扭矩和转动速度。
在本实施例中，基于人体工效学原理和日常行为学分析，将多自由度可穿戴外骨骼手功能康复机器人设计为连杆式手功能机器人，手指连杆机构固定在掌背平台上，且多自由度连杆之间嵌套连接，以实现手指的旋转和弯曲功能；
具体地，所述手指连杆机构为外骨骼手指，包括5个，即外骨骼小指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5，上述机构在掌背平台10的对应位置处依次布设。
优选地，上述每个外骨骼手指均由舵机8单独控制，且五个舵机均设置在掌背平台10上。
在本实施例中，五个外骨骼手指结构一致，如图2所示，包括手指平台18和多自由度连杆，所述多自由度连杆包括手指连杆底部13、第一指间连杆14、第二指间连杆15、第三指间连杆16和指尖连杆17；
具体地，所述手指连杆底部13通过两个锥齿轮12与舵机8连接，锥齿轮12改变传动方向，以使手指连杆机构产生掌指关节的弯曲伸展；
所述第一指间连杆14套接在手指连杆底部13上，以产生水平面内的旋转自由度，实现手指的打开与并拢；
所述第二指间连杆15套接在第一指间连杆14上，以实现近端指间关节的弯曲伸展功能；
所述第三指间连杆16扣接在第二指间连杆15上，第三指间连杆16和第二指间连杆15之间存在水平面内的旋转自由度；
所述指尖连杆17套接在第三指间连杆16上，以实现冠状面的弯曲；
所述手指平台18套接在指尖连杆17上，以实现远端指间关节的弯曲功能。
优选地，在上述连杆内部均设有微型舵机11，分别实现上述连杆间的运动。
可以理解的，手指内部由于空间限制，可采用微型舵机，每个手指连杆中镶有5个微型舵机，共设有25个镶嵌在手指内部，分别控制不同手指关节的运动。
可以理解的，每个外骨骼手指均由大型舵机单独控制，大型舵机设有5个，分别单独控制外骨骼手指。
在本实施例中，所述手指平台18上固定有圆环套20，手指平台18贴在手指尖背部，通过圆环套20使手指平台固定在手指上。
优选的，每个手指平台18上设置两个圆环套20，可以理解的是，本领域技术人员壳根据实际需要设置圆环套20的数量。
优选地，所述手指平台18上粘贴有压力传感器19，与手指背部紧密接触。
在本实施例中，上述各模块之间采用蓝牙模块6进行无线通信，增强设备的便携性。
在本实施例中，所述电池模块7为整个手功能康复机器人的各模块提供电源。
优选地，所述控制模块9采用单片机，也可采用其他类型的控制器，本领域技术人员可根据实际需要进行选择。
本实施例基于人体工效学原理和日常行为学分析，将多自由度可穿戴外骨骼手功能康复机器人设计为连杆式手功能机器人，手指连杆机构固定在掌背平台上，且多自由度连杆之间嵌套连接，以实现手指的旋转和弯曲功能，五根手指连杆机构的相对位置近似于人手，机器人通过掌背绷带以及指尖固定在手上，佩戴舒适，完全不影响人手的正常运动；每根手指包含6个自由度，适合手指长度不同的人。
多自由度连杆最前端采用环状结构套在手指上，避免影响指尖的触觉感知；且采用多自由度的冗余控制方式精确控制指尖的位置；同时通过指尖处设置的压力传感器测得指尖压力值，并实时调整指尖力，实现指尖力的精准调节。
在本实施例中，如图3-4所示，在控制模块中对指尖位置、指尖力进行实时调整，以实现抓握过程中指尖的精准性和稳定性。控制模块根据目标指尖位置，对指尖运动轨迹进行规划，将指尖位置信息转化为控制信号驱动微型舵机转动，但要确保指尖运动的精准性，需实时判断指尖是否达到期望位置，如果未达到期望位置，则驱动舵机对指尖位置进行进一步精确调节；
若要确保抓握的稳定性，以更好地起到康复效果，需对指尖力进行评估，若指尖力过大则可能损坏抓握物体，若指尖力过小则容易产生滑脱，所以需要根据压力传感器数据对指尖力进行调节。
为了提高按压过程中的精准性和稳定性，针对模型的不确定性和不可预见的外部干扰，本实施例采用基于指尖力反馈的冗余空间位置控制方法。手功能康复机器人的运动轨迹是在人类或机器人***的操作空间中规划的，根据期望的指尖位置模拟指尖运动的空间轨迹，通过运动轨迹得到期望的手指关节角度，再将手指关节运动向量转化为连杆空间运动向量，从而控制各关节处舵机的扭矩。因此，操作空间速度矢量vd被转换成(6×1)联合空间矢量：
若简单地用摩尔-彭罗斯逆函数随机模拟指尖运动的空间轨迹，所提出的数学解并没有考虑到关节运动极限；所以考虑到人体手部关节运动阻抗，逆运动学计算需要额外的约束来满足各关节的运动极限以及关节运动速度。
故，本实施例引入列文伯格-马夸尔特法(Levenberg-Marquardt-Stabilisation)来解决这个问题：
本实施例引入阻尼系数λ对连杆运动进行约束，减小关节速度，以保证穿戴的安全性和舒适性；阻尼系数λ的计算如下：
其中，σn为雅可比矩阵(Jacobian matrix)J的特征值，为手指的关节运动速度，/>和ε分别为/>和σn的阈值，其具体数值通过仿真实验确定；λmax为阻尼系数λ的最大值，具体数值由仿真实验确定；
阻尼系数λ取决于和σn，如果这两个值都是大于其阈值/>和ε，λ增加到λmax的值，即使外骨骼由于人类用户的运动而执行随机关节空间轨迹，阈值也必须预先定义。根据雅可比矩阵的特征值σn最小值计算阻尼系数λ，通过仿真表明并非所有特征值σn接近于零的构型都导致高关节速度，这说明特征值接近于零与高关节速度没有必然联系。
在机器人逆运动学中，雅可比矩阵不能保证关节极限的合理性，所以本实施例利用冗余6自由度手功能康复机器人的零空间，使每个关节尽可能靠近中间位置，通过优化：
对于关节空间中的理想速度矢量，通过式(7)的反向欧拉积分得出期望的关节空间矢量q：
其中，vd代表指尖的空间速度向量，表示连杆联合空间向量，J是雅可比矩阵，JT是雅可比矩阵的转置，/>是矩阵转换的唯一解，代表连杆空间矢量对指尖空间速度矢量的最近似逼近，/>代表关节空间向量零空间位置。
零空间优化提供了在不改变TCP(tool center point)姿态的情况下，改变关节角度的用户交互机会：
τuser＝τsens-τexo＝K2 (8)
其中，τuser是人手运动产生的扭矩，是实际测量的扭矩τsens，τsens＝FxL，即由压力传感器力检测得到的压力F乘上距离L，L是固定值，是压力传感器的中心点到指尖转轴的距离；
用户意图是实际测量的扭矩与指尖无负载时手功能康复机器人参数模型提供的扭矩τexo之间的差值。机器人***动力学的关节力矩由运动元件的重力和惯性矢量以及关节和驱动单元的摩擦矢量导出。
对由动力学引起的关节扭矩进行建模并测量相互作用力，从每个关节中测得的扭矩中得出用户的额外扭矩，并添加到等式(5)得到：
其中，k1和k2是关节极限和用户扭矩优化标准的增益系数。
因此，零空间优化用户在操作空间中沿定义的轨迹移动时，改变关节空间中的位置的意图。
在本实施例中，基于力反馈控制算法实时调节指尖力，在抓握过程中估计指尖位置以及完全抓握时指尖的力，以确保指尖完全贴合抓握物体。计算关节处的等效力矩τFe时，将力差转化为目标力Fd和实际力Fe之间的差值；
对于定位τpos所需的扭矩，总扭矩总计为：
τq＝τpos+τFe (10)
为了更稳定的控制手功能康复机器人，本实施例提出混合力位置控制，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，对舵机提供的力矩进行调整，同时对力差ΔF微分转化为目标进给速度，调整舵机的转动速度：
vx,d＝kI∫ΔFdt (11)
本实施例使用增益系数为kI的积分控制器，即使在突然扰动的情况，控制器的比例分量也被分配，增强了控制***的鲁棒性。
在采用本实施例的手功能康复机器人进行训练时，使用者首先佩戴手功能康复机器人，并用固定绷带固定在手背上；然后设定训练模式以及训练时间，包括单指弯曲模式与抓握模式，两种模式混合对于手功能康复训练可以起到更好的效果。控制模块对指尖的运动轨迹进行规划，将指尖的位置信息转化为控制信号驱动各个舵机转动，精确的控制指尖位置使其达到期望的目标位置；运动过程中，通过采集的舵机的转动角度信息和压力传感器采集的指尖压力信息对舵机的转动进行反馈调节，使得控制更加精确，根据力传感器数据对指尖力进行调节，确保抓握的稳定性。当达到设定的训练时间时，将手功能康复机器人取下，完成康复训练。
本实施例的手功能康复机器人保留指尖的触觉感知，在手功能的康复训练中有着重要意义。可用于脑卒中等手功能受损患者的康复训练，能够精准的进行指尖控制以及抓握训练，且对于人机交互***、康复治疗、感知运动功能评估等都有重要的价值。
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 (6)
1.基于冗余控制的多自由度可穿戴外骨骼手功能康复机器人，其特征在于，包括：掌背平台、以及设于掌背平台上的手指连杆机构、舵机、压力传感器和控制模块；
所述手指连杆机构包括手指平台和多自由度连杆，所述多自由度连杆具有多个关节，且每个关节由单独舵机驱动；所述多自由度连杆包括手指连杆底部、第一指间连杆、第二指间连杆、第三指间连杆和指尖连杆；所述手指连杆底部通过锥齿轮与舵机连接，以使手指连杆机构产生掌指关节的弯曲伸展； 所述第一指间连杆套接在手指连杆底部上，以产生水平面内的旋转自由度，实现手指连杆机构的打开与并拢；所述第二指间连杆套接在第一指间连杆上，以实现近端指间关节的弯曲伸展；所述第三指间连杆扣接在第二指间连杆上，在第三指间连杆和第二指间连杆之间实现水平面内的旋转自由度；所述指尖连杆套接在第三指间连杆上，以实现冠状面的弯曲；所述手指平台上设有压力传感器，用于检测抓握过程中的指尖力；所述手指平台上固定有圆环套，通过圆环套使手指平台固定在手指上；所述手指平台套接在指尖连杆上，以实现远端指间关节的弯曲；
所述控制模块根据目标指尖位置规划指尖运动轨迹，根据指尖运动轨迹控制舵机的扭矩，以驱动舵机转动；并根据实际指尖力和目标指尖力的差值，以及实际指尖位置和目标指尖位置的差值，控制调整舵机的扭矩和转动速度；
所述控制模块在规划指尖运动轨迹时，引入关节运动阻抗，通过阻尼系数对多自由度连杆的运动进行约束，以满足各关节的运动极限以及关节运动速度。
2.如权利要求1所述的基于冗余控制的多自由度可穿戴外骨骼手功能康复机器人，其特征在于，所述手指连杆机构包括外骨骼小指、外骨骼无名指、外骨骼中指、外骨骼食指和外骨骼拇指，均在掌背平台的对应位置处依次布设，且由单独的舵机进行控制。
3.基于权利要求1-2任一项所述的多自由度可穿戴外骨骼手功能康复机器人的控制方法，其特征在于，包括：
根据目标指尖位置规划指尖运动轨迹，根据指尖运动轨迹控制舵机的扭矩，以驱动舵机转动；
获取抓握过程中的实际指尖力和实际指尖位置，根据实际指尖力和目标指尖力的差值，以及实际指尖位置和目标指尖位置的差值，控制调整舵机的扭矩和转动速度。
4.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于，在规划指尖运动轨迹时，引入关节运动阻抗，通过阻尼系数对多自由度连杆的运动进行约束，以满足各关节的运动极限以及关节运动速度。
5.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述目标指尖位置和目标指尖力为在抓握过程中确保指尖完全贴合抓握物体的指尖位置以及完全抓握时的指尖力。
6.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于，根据实际指尖力和目标指尖力的差值，以及实际指尖位置和目标指尖位置的差值，控制调整舵机的扭矩，同时对实际指尖力和目标指尖力的差值微分后转化为目标转动速度，以控制调整舵机的转动速度。
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