文摘
开发一种新型机器人外骨骼手指康复,这是由线性马达通过鲍登电缆。对于每一个手指,除了三个链接作为簇拥下,两个链接作为指关节也实现。链接是通过被动关节连接,同时可以实现平移和旋转运动。弯曲或扩展运动是通过一个电缆足够的刚度。这种外骨骼手指长度不同的对象具有很好的适应性和长度变化在运动。外骨骼的运动学模型建立的统计方法,选择和分段多项式函数(PPF)来描述电机位移和关节变量之间的关系。最后,运动位移和手指之间的关系总弯曲角,可用于康复轨迹规划。实验结果表明,这种外骨骼几乎达到最大的手指弯曲角的一个健康的成年的人,68.6 N的最大驱动力。
1。介绍
人类的手是人体最复杂的部分之一表现日常生活的许多活动,因此病人的生活质量严重影响手功能障碍。由于大量的患者中风或脊柱损伤后,对康复治疗的需求恢复正常的手的力量和能力是巨大的1,2]。在过去,这样的康复过程是由物理治疗师手动执行的。随着技术的提高,robot-aided手康复或协助设备转达了很多感兴趣的和已被证明是很好的,甚至比传统治疗因为提供高强度和重复治疗(3,4]。机器人的帮助下,病人可以练习更容易按照自己的意志和处理日常生活功能任务轻松自在。
一些原型,甚至商业产品开发,可以分为三大类型,即根据末端执行器,外骨骼,或只是一个手套,分别。与前一个,通常是不可能控制各关节参与运动(5),因此目前大多数系统是外骨骼的形式。外骨骼通常是一种机制,可以放置在人体的一部分机械指南或开动它不阻碍关节的自然运动5]。外骨骼根据不同的标准可以分为不同的类型,综合分类提供了关于外骨骼(6]。主要标准包括致动器类型,意图传感方法,目的,和电力传输方法。根据执行机构类型,外骨骼可以由电动马达驱动,气动活塞,气动空气室,气动人工肌肉橡胶(改)系列弹性致动器(海),形状记忆合金(SMA),活动系统和液压。根据电力传输方法,结构可以直接驱动执行机构或借助连杆,腰带,cable-driven腱,或电缆和联系在一起4]。显然,有更多比属组合,例如,扭矩施加通过链接可以从一个电动马达或SMA。
链接是最传统的方式组成外骨骼(7- - - - - -10]。基本的缺点是,结构笨重,尤其是背一侧。适应不同的手指大小,连杆外骨骼是发达,其机制的积极关节轴不需要配合人类双手的手指关节轴(11),一个极端的笨重的机械结构的成本。
调节机械长度适应手指弯曲/扩展,采用滑动机制。研制了一种三层滑动弹簧装置实现大变形(5]。对于每一个关节,内部弹簧弯曲时,中心和外弹簧弯曲和主动或被动下滑,分别形成一个圆形的部门。这个结构非常复杂,弹簧的刚度应该仔细选择。另一个常见的方式适应不同长度的病人的手指正在实施被动移动关节除了主动旋转接头(2,12- - - - - -15]。这种结构也有助于使手指关节和扶轮中心。
slider-crank-like机制提出了传输驱动转矩在掌指的(MCP)联合,而近端指间(PIP)和远端指间(DIP)是由鲍登电缆。球状壳结构由Velco带子拴在手指和手掌。两个关节被动转化涉及适应不同受试者的手指长度后手动调整这些关节被螺丝(2]。类似的链接结构也可以由SMA代替电动机驱动(16]。
远程中心运动的原则(RCM)是另一种方式来适应人体关节的机械旋转中心。这可以实现multiparallelogram联系(17),弧形滑块(18),N-shaped联系(19),或更复杂的结构组成的五杆连杆(2四连杆和320.]。常见的缺点仍然是庞大而复杂的机械结构。
电缆是一个有吸引力的方式模仿肌腱的生理功能,而只有单向转矩可以通过一个电缆施加(21]。施加双向转矩一个手指,两个独立的电缆(22)或实现一个滑轮23]。更换皮带轮,u型管也可以实现指导电线作为扩展和屈肌腱(24),而扩展电线连接到线性弹簧来生成扩展力。鲍登置系列弹性驱动开发(海)允许双向转矩控制(1]。尽管低反映惯性阻力最小的手指运动,实现维度还大。滑动关节手指指骨之间的接口和实现外骨骼链接,可以迅速调整,也就是说,它仍然需要调整对个人的话题。外骨骼的电缆可以覆盖超过70%的健康手工作区,指尖足够的,它可以实现部队活动的日常生活25]。HX -β,索引finger-thumb外骨骼是由弹性传动装置通过电缆,实现robot-user联合对齐,为用户和灵活的驱动各种手的大小(26]。原型名为“RELab tenoexo”的机制设计,可生成四种最常用的掌握运动(27]。海基原型开发包含五种被动和两个主动驱动关节和提供了MCP和皮普关节的主动控制。但结构仍然是笨重;因此,只有食指的部分是意识到(28]。
获得力反馈的外骨骼的最初目的是为虚拟现实,两个电缆实现,一个电缆驱动和另一个力反馈(29日]。
气动执行机构普遍存在的优势,如高重量功率比、压缩系数、低生热性,和清洁能源,主要缺点是只能施加单向力/力矩。McKibben类型气动人工肌肉(PAM)实现驱动(30.),为了克服单向的缺点,结合恒力弹簧。改也采用控制放大手套,达到助动抓取动作(31日),但对屈肌张力亢进是无益的。
由于许多患者屈肌张力亢进和手指伸肌软弱,一个被动的外骨骼,这只能施加扭矩单向延伸,也发达。一系列弹性绳(32)、被动板弹簧和弹性张力索(33)由于损伤采用不要过度不随意弯曲力矩。应用这种装置,抵消力量应该事先手动调整。
里面是一个方式来检测用户的意图通过测量电前臂肌肉活动或运动功能在大脑中。表面肌电图(表)可以用作传感器控制外骨骼或观察并得到反馈进展的培训。面肌电信号从外骨骼的编码器信号结合运动信息可以介绍给torque-controlled手外骨骼(34]。
手套是一个直观和可穿戴设备紧凑的化身。基于聚合物tendon-driven可穿戴机器人允许调整不同的手大小和通风(35]。
柔软的机器人也是一个有吸引力的方式。原型模型的弹性与各向异性纤维增强膀胱,这可以产生特定的弯曲,扭曲,扩展轨迹在流体增压(36,37]。它可以快速的定制适合个人用户的剖析,即软制动器机械程序来匹配,支持单个手指的运动范围。鉴于软条件设备往往缺乏易于理解的模型和传统的刚性设备总是过度僵硬,混合soft-rigid外骨骼(HSRexo),采用简化的三层滑动春天(抢断)机制结合了内在的一致性和可理解的运动学(38]。
常见的困难是,没有正确对齐,使用的外骨骼会感到不舒服,甚至无法使用(39),提出了一种可行的解决方案来自动对齐外骨骼人类解剖轴轴解耦联合旋转从翻译40]。
在大多数现有的外骨骼,适应性不同病人的手指是有缺陷的。对于某些设备,手指的弯曲角仍不足,除了穿着过程是一项繁重的任务,这可能会持续30分钟。
总而言之,还有几个挑战克服,也就是说,一个理想的外骨骼应该是:(我)紧凑的大小拇指和手指之间的干扰降到最低(2)容易穿(3)适应不同病人的手指长度(iv)可调长度在弯曲/扩展最小化之间的滑动手指指骨和外骨骼链接
为了克服这些缺点,开发一种新型外骨骼,每个手指是由一个单独的直线电机通过鲍登电缆。对于每一个手指,两个链接是实现为指关节。被动关节相连的链接;因此,旋转与平移运动可以同时实现。为人类的指关节,皱纹调节皮肤张力在运动中扮演着重要的角色。在这种外骨骼,关节链接将导致适应性不同主题的手指长度和运动的多样性。相比主动旋转接头的结合和被动移动关节,设计被动关节可以同时实现旋转与平移运动。因此,机械结构更紧凑。对于这个结构,一个手指的配置是由八个变量描述。电缆具有足够的刚度,手指弯曲/扩展是通过电缆推/拉行动。 Since there is only one active input, this exoskeleton performs as a typical single input–multiple output system. Theoretically, given a determinate motor displacement, there are infinite possible finger configurations. To build a feasible direct kinematics model for control purposes, the statistic method is implemented. As a consequence, the piecewise polynomial function is adopted to describe the mapping from motor displacement to those variables.
本文的其余部分组织如下。下一节介绍了硬件结构,其次是运动学模型和参数估计过程;之后,提供了实验结果,最后,给出了结论。
2。硬件结构
基于一项调查病人的需求和感受,两个问题被认为是重要的。首先,手指之间的滑移和外骨骼运动应该最小化。第二,外骨骼应该采取不同的病人的手指长度和长度变化在运动。出于这些问题,一种新型外骨骼设计,它包含一个palm平台和五个手指总成。然后,纺织手套将坚持外骨骼的底胶。外骨骼机制是显示在图1。
2.1。机械零件
一个手指的机械结构如图2,这是由一个固定链接(没有。0)和五个可移动的链接。模仿一个人的手,可移动的链接分为簇拥下(没有。1、3、5)和指关节(没有。2,4)。当手指完全扩展,指关节完全定位在相邻的簇拥下。在没有链接。1和3,1和2槽分别研磨。铰链固定在相邻的链接可以这些槽内自由移动,旋转或翻译。由于这种结构,外骨骼可以被动地适应病人的手指的几何变化,弯曲角度和长度。
(一)
(b)
鲍登电缆的路径是由隧道内部链接。0、2和4(区域没有部分线路图2(b))。电缆的一端连接到一个直线电机(见图3),另一端是固定在指尖。当电缆是由电机、推或拉的手指将弯曲或扩展。
实现弯曲和扩展行动由一个电缆,电缆刚度是强制性的。这是确保在两个方面:一方面,电缆的直径2.5毫米电缆直径不同,之间的选择。更重要的是,几乎完整的电缆受到周围结构:金属套筒、硬质塑料管(见图3上面提到的),和隧道。直线电机的轴连接杆,套筒内移动。在完整的电缆,最大横向宽容是约4毫米,隧道内发生。因此,实现电缆施加足够大的刚度双向扭矩。初步实验表明,鉴于80毫米的最大运动位移,最大位移误差由于电缆弯曲小于2毫米。
2.2。电子部分
每个手指都是由一个单独的直线电机驱动,其位移直接控制,因为最大速度和加速度的限制。通常在康复过程中,手指缓慢移动,两个手指的动态特性和机制没有考虑;换句话说,它是足够的位移的方式来控制电动机,电动机的输出转矩是充分的。
采用二元SCN5系列直线电机的驱动程序与主机通过rs - 485总线通信根据二元Termi-BUS协议(见图4)。实现闭环控制,指令发送到汽车司机通过COM1端口,而电动机的位置和工作状态都通读COM2端口。
监控力通过鲍登电缆,ZNLBM-VII力传感器(分辨率为0.06 N的范围0 - 200 N)安装在电机轴和连杆(见图3)。解决方案相比采用力反馈的另一个电缆(22),这个方法是更紧凑、可靠,因为力是直接测量驱动电缆。在现阶段,只有运动位移控制实现。电缆的力量实现阻抗控制实施下一步。
3所示。运动学模型
3.1。协调框架的定义
以食指为实例,为每一个链接,一个局部坐标系,涉及x和y轴,定义(见图2(a))。在初始配置,而手指完全扩展,所有帧的x和y轴向右,分别。帧的起源。0和1是位于相同的位置,也就是说,铰链连接。帧的起源。2、4、5位于相应的近端铰链。没有一点要注意框架。3,因为没有铰链固定在联系没有。3所示。原点位于最近远端铰链的位置没有链接。2。 Relative orientation and displacement between adjacent frames can be described by two quantities和(见表1)。角代表了从轴角对轴 ,逆时针方向。原点的位移沿轴 。作为实例,和描绘在图5。请注意,和是常数,两个之间的距离取决于链接。分别为2和4。
根据的定义和 ,齐次变换矩阵之间的联系协调框架给出:
3.2。直接运动学模型
电机的位移作为输入,正如上面提到的,有八个输出变量,所以手指机制作为一个典型的单输入旨在系统。从理论上讲,有无限的解决方案,受到许多因素的影响,例如,病人手指的尺寸,肌肉紧张,摩擦等。它是很难找到一个解析解。初步实验表明,配合主题相同,外骨骼运动的重复性很好,激励我们实现统计特征直接运动学模型。
建立统计运动学模型,将图像。考虑到直线电机的位移作为输入,相应的形象系列。五个标记附着在外骨骼,用标记没有。1 - 5(见图6)。像素位置对应于中心铰链和标记读取的图像编辑软件。正如前面提到的,是一个常数,也就是说,两个之间的距离取决于链接。2。知道像素距离之间的比例和实际长度,另一个平移位移可以计算,例如,和 。同样,更多的关注 ,因为没有修复没有一点联系。3对应链接坐标系的原点。3所示。所以,原点的位置确定的标记没有帮助。1和2,因为没有标志。2是放置在线段的中点标记没有连接。1,没有帧的起源。3所示。没有标志。3作为一个确定的点在坐标系。 3. Role of the marker no. 5 is similar to marker no. 3. Displacements , 和计算基于像素的位置对应的铰链。
通过提取边缘上边界对应的链接。0、1和3,角和金额 可以获得。坐标系的方向。5是由标记。4和5,由于没有直接链接没有上限。5。线性段连接这两个标记的定位计算基于标记的像素位置,然后求和 可以计算。
即所有角度位移可以直接提取。当关节角度很小,大部分地区的链接。2和4是被邻近的链接,提取精度很低;因此,特别注意角度和 。给定的方程(1)- (5),很容易获得以下变换矩阵,矩阵乘法: 在哪里和术语的缩写吗 和 ,和其他条款具有相似的含义。
把矩阵作为一个实例,不同的点的坐标框架。3和1是用u,v,x,y分别为(见图5)。这些量之间的关系可以表示为:
更明确, 在哪里u,v,众所周知,变量x,y, 和可以直接读取图像,总和 还可以提取足够的精度和可以计算。最后,可以得到:
由于机械的限制,只在第四象限是有效的,这是一个函数的不同的解决方案只有一个参数。
同样的,可以解决: 在哪里u和v五连杆坐标系中定义的常量,然后呢x和y表示在第三链接框架。
3.3。数据拟合函数
变量的解析表达式应该获得的拟合样本数据。基于初步实验,选上的分段多项式函数。首先,切换点确定直观地通过观察数据曲线,然后,在每一部分,获得的学位和相应参数的非线性最小二乘法(LSM) (41]。相同的数据集,从0到3度的多项式实现想要的模型,然后采用最小平方误差多项式。这将是与例子在下一节中解释。
4所示。实验结果
4.1。实验装置
在建模过程中,稳步外骨骼的手掌是固定在一个测试表,和支持的相机三脚架,所以摄像机之间的相对姿态和外骨骼棕榈是保持不变的。电机的步长是4毫米,所以总共有20个样本内单向运动范围的80毫米。6个样本图像如图7。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
24个健康的亚洲志愿者招募,需要保持食指放松外骨骼运动。对于每一个志愿者,完成运动系列包括前后阶段执行三次。更多关于志愿者是列在表的信息2。
很容易戴上手套,因为手指的半开口的形式部分,也就是说,Velco系(参见图实现6)。对于一个健康的志愿者,消耗小于1分钟穿别人的帮助。
4.2。原始数据和拟合函数
的曲线志愿者1如图在向前运动8。表达式是由三部分组成,常数的一种形式,分别为线性函数和常数,。
一个有趣的现象是观察到的所有配置变量,向前和向后运动之间有明显差异,转移或形状变形。证明,原始数据集和拟合曲线为志愿者1的所有八个配置变量是在数字9- - - - - -10。表列出了相应的表达式3,论点x代表了运动位移。是观察到的平动位移 , 和 ,差异是一般形式的相对滞后。角变量,情况更为复杂。为 ,形状相对应的两种方式是完全不同的,所以做相应的表达式。为 ,表情甚至拥有不同程度。
(一)
(b)
(c)
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
然后,个体志愿者的重复性验证。作为实例,和的志愿者1所示图11。为其他变量和志愿者也有同样的现象。可以看出,重复性很好,即可以安装的数据类似的表达式。
(一)
(b)
志愿者之间的区别也进行了分析。作为一个实例,标准差和如图12。它可以发现的最大发生在中间部分,这主要是由于改变(见图11(a))。和标准差增加。类似的现象出现在其他变量。如果有必要,该模型可以描述为不同的志愿者与不同的参数值相同类型的表达式。
(一)
(b)
电机的位移之间的关系和总弯曲角的外骨骼志愿者1所示图13。可以观察到非线性明显弱于电机位移之间的关系,最中间变量,也向前和向后运动之间的差别。LSM的关系可以被描述为: 总弯曲角度是用在哪里 。方程(13)可以使用作为康复的运动学模型轨迹生成或控制的目的。
的标准偏差对所有志愿者如图14。类似于一个角,标准差增加 ,和最大达到约12度,而弯曲角几乎是−160度(见图7)。标准偏差和弯曲角本身之间的比例如图14(b)。一开始,一个大比例是由于弯曲角本身很小;因此,噪声的影响是显著的。随着 ,这个比值收敛到较低的水平,约为0.1。这一现象表明,志愿者的外骨骼具有良好的通用性。从硬件的角度来看,它适应不同手指长度和长度变化在运动。从软件的角度来看,这将是容易“定制”的手指模型校准。
(一)
(b)
5。结论
介绍了机器人外骨骼手指康复,具有以下特点:(我)两个链接模仿实现指关节(2)由被动关节相连的链接(3)双向扭矩施加一个鲍登电缆套管的帮助下(iv)最大弯曲角方法近−160度
因为这些特征,具有良好的适应性的手指长度不同的主题和长度变化在运动同时保持结构紧凑。分段多项式函数选为直接运动学模型。实验结果表明,该机器人具有适应不同主题,取得近的最大健康成人手指弯曲角的人。这将是容易定制不同的手指模型校准的个别病人,个人的手指,或在不同治疗阶段,为了满足康复需求。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
作者要感谢所有志愿者的帮助测试外骨骼的原型。支持的工作是基础,中国自然科学基金创新研究群体(批准号51521003)和Self-topic基金的机器人技术与系统国家重点实验室(批准号SKLRS201705A)。