[发明专利]一种柔性驱动的手功能康复机器人控制系统及控制方法

权利要求书

1.一种柔性驱动的手功能康复机器人控制系统，其特征在于，包括相互之间通过电信号连接的康复手套（1）、鲍登线传动机构（2）、电控单元（3）、肌电人机接口单元（4）、脑电人机接口单元（5）、康复训练软件（6）和电机驱动单元（7），实现手指的运动位置控制和抓握力柔顺控制，各部件相互配合完成设定的被动训练和交互训练任务，具有远程指导在线训练和离线训练功能；

所述康复手套（1）由手套本体、指尖固定模块和掌背固定模块组成，所述指尖固定模块固定鲍登线传动机构（2）的鲍登线，所述掌背固定模块固定鲍登线传动机构（2）的鲍登线管；

所述鲍登线传动机构（2）由圆盘传动机构和鲍登线牵引装置组成，所述鲍登线牵引装置的一端固定在电机驱动单元（7）的直流减速电机上，另外一端固定在康复手套（1）上；其中，所述直流减速电机具体为带编码器的直流减速电机，反馈电机的位置和速度，形成速度位置双闭环控制，带动手指的屈曲和伸展；

所述电控单元（3）由STM32主控制单元和传感器单元组成，所述传感器单元安装在康复手套（1）上，包括RFP弯曲传感器和RFP力传感器，所述RFP弯曲传感器实时采集手指弯曲角度，获得手指运动位置信息，通过位置控制器转换为电机驱动指令，完成手指位置控制，所述RFP力传感器实时采集手指抓握力信息，通过力控制器转换为电机驱动指令，完成手指抓握力的柔顺控制，所述电控单元（3）将处理好后的传感器数据上传至康复训练软件（6），所述康复训练软件（6）再将数据上传至服务器；

所述康复训练软件（6）发送相应命令给电控单元（3），电控单元（3）将接收到的命令解析成相应的训练参数，选择位置控制器或力控制器将位置或力的大小转变成驱动器控制指令，控制电机驱动单元（7）从而带动鲍登线传动机构（2）将电机产生的牵引力通过康复手套（1）传导到患者手上；

基于柔性驱动的手功能康复机器人控制系统的控制方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：对所述手功能康复机器人本体进行运动学分析，采用系统辨识算法建立相应的手指运动数学模型；

步骤S2：采用基于滑模控制的手指位置控制算法，对机器人本体的手指运动数学模型中的运动位置进行控制；

步骤S3：采用基于位置闭环的阻抗控制算法，以目标阻抗代替机器人本体的手指运动数学模型，对手指的抓握力进行柔顺控制；

所述手指运动学模型建立步骤S1具体包括以下步骤：

步骤S11：康复训练软件（6）发送指令，控制手功能康复机器人做屈曲伸展运动，利用三维运动捕捉系统记录手功能康复机器人运动轨迹，得到每个手指、掌指关节和指尖的坐标，同步获取电机轴转过的角度；

步骤S12：根据所述坐标计算得到各个时刻的手指弯曲角度，根据鲍登线伸长量和电机轴转过的角度的正比例关系计算得到对应时刻的鲍登线伸长量；

步骤S13：根据所述手指弯曲角度数据和鲍登线伸长量数据，以鲍登线伸长量数据为输入数据，手指弯曲角度数据为输出数据，采用系统辨识算法建立手功能康复机器人的鲍登线伸长量与手指角度之间关系的手指运动数学模型；

所述步骤S2中基于滑模控制的手指位置控制算法设有滑模控制器，具体执行步骤如下：

步骤S21：电控单元（3）根据AD采集到手指的实际位置和期望位置，计算得到实际位置和期望位置的位置误差；

步骤S22：根据所述位置误差及其导数求得滑模控制器的切换函数，根据所述切换函数计算得到每个手指上鲍登线的伸长量；

步骤S23：通过在线自适应方法调整所述滑模控制器中滑模控制项的增益参数，通过控制所述鲍登线的伸长量，对所述手功能康复机器人的手指的运动位置进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种柔性驱动的手功能康复机器人控制系统，其特征在于，所述肌电人机接口单元（4）以蓝牙的方式与康复训练软件（6）相连，设有肌电臂环，通过所述肌电臂环采集患者手臂上的表面肌电信号，对表面肌电信号进行放大和调整，输入到STM32处理器进行AD采样，利用数字滤波器对采集到的两路表面肌电信号进行带通滤波，并分别提取四种时域和频域特征值，组成八维特征矩阵，将所述八维特征矩阵导入BP分类模型，获得相应的权值和阈值系数，最后STM32主控制单元对所述权值和阈值进行相应运算，得出对应的动作在线识别结果，并实时输出控制信号，将所述输出控制信号发送至康复训练软件（6），控制康复机器人本体执行相应动作。