外骨骼机械手控制系统设计

（ＦＰＧＡ），ｓｅｎｓｏｒ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｈｕｍａｎ ｒｏｂｏｔ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｂａｓｅｄ
Ｔｈｒｏｕｇｈ ｆｏｒｃｅ ｓｅｎｓｏｒ，ａｎｇｌｅ
ｓｅｎｓｏｒ
ｏｎ
Ａｎｄｒｏｉｄ ｓｙｓｔｅｍ．
ｓｔａｔｅ
ａｎｄ ｅｎｃｏｄｅｒ，ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ—ｃｈｉｐ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｕｌｄ ｃ０１ｌｅｃｔ ｍｏｔｉｏｎ
虚拟运动控制
拦竺警竺删撞检测；鬯鉴型．ｊ
图２人机交互界面整体框图 图４外骨骼机械手单手指结构简图
２
控制策略
由于脑卒中（中风）患者大部分并未完全丧失
因此岛：岛一１：“，Ｍ为耦合系数，与结构尺寸相 关．口，为关节长度，三条钢丝绳分别作用于三个
关节处．ＦＨ为指尖作用在Ｔ处的接触力，且
ＦＨ＝｜ｌ
ＦＨ
运动能力，故设计了一种自主切换控制策略，使患 者可以在人机交互软件引导下由外骨骼机械手主 动或者被动地驱动患者手指进行康复训练．为实 现控制策略，在控制系统中对外骨骼机械手的分 析尤为重要． 外骨骼机械手采用对称齿轮齿条的形式，其 结构简图如图３所示．
角度为口，，由一个电机单独驱动，关节２和关节３ 的角度分别为如和日。，由另一个电机驱动，这两 个关节在电机线轮处耦合，因此钢丝绳的张力联 合作用在电机的线轮之上。外骨骼机械手单手指
结构简图如图４所示，由于关节２和关节３耦合，
倒幽ｉ ………
；Ｉ制模块Ｊ｜析模块Ｉ：
！数据访问层 ｓＱＬ沁数据库
患者档案模块
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｉｎ ｏｒｄｅｒ
ｔｏ
ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｄｅｍａｎｄ ｏｆ ｓｔｒｏｋｅ ｐａｔｉｅｎｔ ｒｅｈａｂ订ｉｔａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ ｒｏｂｏｔ
ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｓｉｓｔｅｄ ｗｉｔｈ ｓｉｎｇｌｅ—ｃｈｉｐ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ
ｔｏ
Ａｎｄｒｏｉｄ ｃｏｕｌｄ １ｅａｄ ｐａｔｉｅｎｔ
ｔａｋｅ ｉｎｉｔｉａｔｉＶｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｕｒｐｏｓｅ ｏｆ ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ．Ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ａｃｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｅ ａｎｄ
ｐａｓｓｉＶｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｅ ｗｅｒｅ ａｕｔｏ—ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｂｙ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｆｏｒｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐａｔｉｅｎｔ’ｓ ｈａｎｄ ａｎｄ ｅｘｏｓｋｅｌｅ—
式中：ｊ为关节下标；ｒ，为半圆形齿轮的节圆半
径；已，为反向齿轮的节圆半径；乡ｆ为关节线轮的
半径；ｆ，为关节力矩；Ｅ为作用在线轮上钢丝绳 的张力． 式（１）表示钢丝绳的张力与关节力矩之间成 线性关系，与关节角位移无关，使用钢丝绳的驱动 方式有利于关节力矩的控制效果．由于外骨骼机
械手是由三条钢丝绳进行驱动的，其中关节１的
ｒⅥ器万］
｛胃ｌ
Ｉ数据库 Ｉ控制模块ｌ
人控制系统和人机交互软件提供实时的位置反馈 信息． １．３人机交互软件设计
控制系统
：ｌ堇互堡旦Ｉ：
力传感器
采用目前最为流行的Ａｎ出ｏｉｄ ４．０系统设计 外骨骼机械手的人机交互软件，使患者可以人性 化的设置运动参数．并且利用蓝牙适配器建立 ＲＦＣＯＭＭ通道将运动参数发送到手部康复机器
ＴＰ２４２
文献标志码
Ａ
文章编号
１６７１—４５１２（２０１３）Ｓ卜０３２０—０４
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ
Ｃ＾ｅ靠Ｈｏ以ｇ硼ｅｉ
Ｚ＾Ⅱｎｇ Ｆ“＾口ｉ
ａｎ
ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ ｒｏｂｏｔ
Ｗ口咒ｇ Ｘｉ口ｎｇ ３『￡‘
Ｆ。‘ｙｉＺｉ
（Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ｓｙห้องสมุดไป่ตู้ｔｅｍ，Ｈａｒｂｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５０００ｌ，Ｃｈｉｎａ）
ｌｆ ２［一ｓｉｎ（口１＋岛＋
（２）
硼２），ｃｏｓ（尻＋晚＋幻２）］Ｔ，
式中ｌ｜・ｌｌ。表示取２范数．
驱动电机１和电机２的线轮输出力矩和指尖 接触力的关系可以表示为：
ｒ
ｆＤｌ一ｒＤｌ（ＰｌＦＨ＋Ｑ１ｍｌＧ）／
＼
…７一
反向齿轮
ｌ（２ｒｌ＋２ｅｌ＋ｐ１）；
Ｊ
ｆＤｚ＝ｒＤ２［（Ｐ２ＦＨ＋Ｑ２ｍ２Ｇ＋ Ｐ２ｍ。Ｇ）＋“（Ｐ３ＦＨ＋Ｑ３ｍ。Ｇ）］／ Ｉ（２，．２＋２ｅ２＋声２），
７
ｉｎ—
ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ ｒｏｂｏｔ ａｎｄ ｐａｔｉｅｎｔ
ｓ
ｈａｎｄ ｉｎ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ．
Ｔｈｅ
ｓｅｎｓｏｒｓ
ｏｎ
ｃｏｕｌｄ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅ ｗｉｔｈ
ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｖｉａ ｂｕｓ．Ｔｈｅ ｈｕｍａｎ ｒｏｂｏｔ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｂａｓｅｄ
第４ｌ卷 ２０１３年
增刊Ｉ １０月 Ｊ．
华中科技大学学报（自然科学版）
Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖ．ｏｆ Ｓｃｉ．
Ｖ０１．４１ Ｓｕｐ。Ｉ ｏｃｔ．
２０１３
＆Ｔｅｃｈ．
（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ）
外骨骼机械手控制系统设计
陈宏伟 张福海 付宜利 王翔宇
（哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室，黑龙江哈尔滨１５０００１）
切换控制方法，利用Ａｎｄｒｏｉｄ便携设备中的虚拟
环境诱导患者主动地进行康复训练，以提高患者 的康复效果．
机交互软件运行在手机、平板电脑等便携式设备
中，可以使患者摆脱康复环境的束缚，以实现更加 便捷、人性化的康复体验．基于ＰＣ的客户端可以
１控制系统设计
手部康复机器人控制系统由硬件系统、传感 器测量系统及基于Ａｎｄｒｏｉｄ系统的人机交互软件 组成，如图１所示．外骨骼机械手穿戴在患者手 部，并通过力传感器，角度传感器检测患者手部的 运动状态，其中力传感器通过实时检测患者施加 于外骨骼机械手末端的力以驱动机械手按照患者 的意愿进行康复运动，实现对患者的主动康复训 练；角度传感器将采集到的机械手位移通过 ＡＶＡＬＯＮ总线发送到ＵＣ／０Ｓ＾ＩＩ系统中，为外骨 骼机械手的控制提供状态参数．系统在控制外骨 骼机械手运动的同时将外骨骼各关节位移信息通 过蓝牙发送到Ａｎｄｒｏｉｄ系统虚拟环境中，以驱动
随着嵌入式系统的发展，越来越多的研究者 将目光转向了单芯片系统（ＳＯＣ），使用硬件描述 语言Ｖｅｒｉｌｏｇ在现场可编程门阵列（ＦＰＧＡ）器件 上开发产品或进行专用集成电路的原型设计与验 证的电子设计自动化技术可有效降低产品上市风 险，降低开发成本，缩短产品开发周期［１１｜．这里在 设计外骨骼机械手控制系统同时提出了一种自主
（３）
／Ｖ、≮扩蠢磊＿
摘要针对脑卒中患者康复需求，研制了一种外骨骼机械手控制系统．该控制系统由现场可编程门阵列 （ＦＰＧＡ）单芯片系统、传感器采集系统以及基于Ａｎｄｒｏｉｄ系统的人机交互软件组成．基于ＦＰＧＡ单芯片系统， 通过力传感器、角度传感器和编码器实时采集外骨骼机械手和患者手指的运动状态信息，并通过总线与控制 系统进行通信；采用Ａｎｄｒｏｉｄ系统人机交互软件能够诱导患者主动进行康复治疗；该控制系统可通过检测患 者手指与外骨骼机械手的接触力实现自主切换主动或被动控制策略．实验表明该系统运行稳定、与人机交互 软件间的通信可靠，能够满足患者的康复需求． 关键词外骨骼机械手；控制系统；病人康复；人机交互；现场可编程门阵列；Ａｎｄｒｏｉｄ 中图分类号
图１控制系统结构图
１．１硬件系统设计 稳定可靠的硬件系统可以保证数据的高效传 输和对系统的实时控制．基于ＦＰＧＡ的单芯片系 统，ＮｉｏｓⅡ软核通过ＡＶＡＩ，０Ｎ高速总线与底层 设备进行通信，拥有ｌｊ ４０８个逻辑单元的ＦＰＧＡ
华中科技大学学报（自然科学版）
第４１卷
生可以同步地掌握患者的康复情况，实现医患之 间的无缝沟通． 人机交互界面整体框图如图２所示，其主要 由用户交互视图层、数据访问层、虚拟现实康复训 练层和个性化康复层四个部分组成．用户交互视 图层为患者提供人性化的交互体验；数据访问层 利用通信模块实现与运动控制系统的数据交换， 为患者提供实时数据分析；虚拟现实康复训练层 通过虚拟环境中的弹钢琴动作诱导患者进行康复 训练，个性化康复层利用互联网为患者提供与主 治医生间的无缝交流．
ｔｏｎ
ｒｏｂｏｔ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｓｔａｂｌｅ，ｗｈｉｃｈ
ｃａｎ
ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ
ｒｅ—
ｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｐａｔｉｅｎｔｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｍａｎ—ｍａｃｈｉｎｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｒｅｌｉａｂｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ ｒｏｂｏｔ；ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ；ｐａｔｉｅｎｔ ｒｅｈａｂ订ｉｔａｔｉｏｎ；ｈｕｍａｎ ｒｏｂｏｔ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ；ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙｓ（ＦＰＧＡ）；Ａｎｄｒｏｉｄ
利用互联网接收和显示来自患者便携式设备中的 康复数据，为主治医生了解患者的康复情况提供 一种有力的手段． １．２传感器测量系统设计 为了满足患者主动康复训练的要求，系统须 获取外骨骼机械手的运动状态和患者施加于外骨 骼机械手的接触力，以实现在位置控制环和力控 制环对患手的精确控制．手部康复机器人传感测 量系统包括力检测和关节位置检测两大部分，其 中布置在外骨骼机械手指尖的一对力传感器能够 精确测得手指指尖相对于外骨骼机械手的相互作 用力；布置在手臂上的编码器通过检测电机的运 动状态输出相位差为９０。的两相方波信号；布置 在手套上的柔性角度传感器作用相当于数据手 套，能够实时反馈患者手部运动状态，为控制系统 提供一个绝对的参考目标，为手部功能康复机器
脑卒中（中风）术后会凶中枢神经受损导致患 者肢体运动功能丧失［１‘２］．手部运动障碍是脑卒中 后遗症的主要表现之一［３］．据不完全统计，在我国 由各种原因导致的手部运动功能障碍的患者有三
同时也使患者承受了沉重的财政负担．因此手部 康复机器人已经成为现代康复医学和康复工程迫 切需要解决的热点问题之一ｎ。Ｉ．目前，已有不少 高校及研究机构研制出了能够辅助患者手指进行 弯曲及伸展训练的手部康复机器人［７。９］，但其中大 部分机器人由于体积及控制方式的原因，无法为
寸１而耐：
Ｅ面磊丽口：
角度传感器 编码器 直流电机 电机驱动
黑互
人运动控制系统中，控制外骨骼机械手按照患者 的意愿运动．与此同时，人机交互界面通过 ＲＦＣＯＭＭ通道实时接收外骨骼机械手运动控制 系统发送的各个运动关节位移，存储在由ＳＱＬｉｔｅ 建立的数据库中．患者可以通过运动的图表分析 和虚拟环境直观地了解手部的运动康复情况，主 动参与到自己的康复治疗中来．同时利用Ａｎ— ｄｒｏｉｄ便携设备优异的网络通信功能．人机交互界 面可以将患者的康复数据发送给主治医生，让医
千万，全球更是数以亿计．传统康复训练的高强
度、高重复性特点为理疗师带来极大的劳动强度
收稿日期
２０１３一０７—１０．
作者简介
基金项目
陈宏伟（１９９０一），男，硕士研究生；张福海（通信作者），讲师，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｆｈｈｉｔ＠ｈｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ． 国家自然科学基金资助项目（６１２０３３４７）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（ＨＩＴ．ＮｓＲＩＦ． ２０１３０４７）；中国博士后科学基金资助项目（２０１ ３Ｍ５３１０２３）．
增刊Ｉ
陈宏伟，等：外骨骼机械手控制系统设计
患者提供便携、人性化的康复体验．为此，哈尔滨 工业大学医工学实验室研制了一种外骨骼机械手 系统‘１
０｜．
和４ Ｍｂｉｔ的ＲＡＭ的硬件系统可以满足在Ｎｉｏｓ Ⅱ软核中嵌入ＵＣ／０孓Ⅱ操作系统，实现外骨骼 机械手实时采集传感器数据和处理手指的运动参 数的同时，满足集成度高、低功耗和便携性的设计 要求．每根手指电路由一个集成两个Ｈ桥的 Ｌ２９８Ｎ电机驱动芯片和四通道的１２ ｂｉｔ模数转 换器（Ａ／Ｄ）组成，用于实现对电机的驱动和力矩、 关节位置信号的采样；编码器信号通过高速光耦 经四倍频及判向电路发送到软核中，以获取电机 的运动参数；蓝牙接口可以与人机交互软件进行 通信，双向传输参数．基于Ａｎｄｒｏｉｄ ４．ｏ系统的人