一种用于创伤手指康复的关节力矩测量系统

摘要

一种用于创伤手指康复的关节力矩测量系统，它涉及一种关节力矩测量系统。本发明解决现有的康复机械手一般不具备感知功能，存在无法测量手指关节与外骨骼之间的交互作用力大小的问题。电机输出端线轮安装在驱动电机的输出轴上，D型轴穿装在关节线轮上，D型轴的两端通过两个轴承安装在线轮架上，关节角度传感器通过螺钉固装在线轮架的上端面上，磁钢贴在D型轴的上端面上且磁钢与关节角度传感器正对设置，关节座端盖扣合在线轮架的上端面上，关节座固装在线轮架的侧壁上，线轮架设置有两个相互平行设置的穿线管，每个穿线管上设置有一个弹性元件，所述鲍登线缠绕在外关节单元线轮和电机输出端线轮上。本发明用于用于创伤手指康复。

权利要求

1.一种用于创伤手指康复的关节力矩测量系统，所述关节力矩测量系统包括若干个关节力矩测量单元，每个关节力矩测量单元包括外骨骼关节单元(1)、鲍登线(2)、电机输出端线轮(3)和两个弹性元件；其特征在于：电机输出端线轮(3)安装在驱动电机的输出轴上，外骨骼关节单元(1)包括关节座(14)、关节线轮(13)、关节角度传感器(10)、两个轴承(12)、D型轴(8)、线轮架(7)、磁钢(9)和关节座端盖(11)；D型轴(8)穿装在关节线轮(13)上，D型轴(8)的两端通过两个轴承(12)安装在线轮架(7)上，关节角度传感器(10)通过螺钉固装在线轮架(7)的上端面上，磁钢(9)贴在D型轴(8)的上端面上且磁钢(9)与关节角度传感器(10)正对设置，关节座端盖(11)扣合在线轮架(7)的上端面上，关节座(14)固装在线轮架(7)的侧壁上，线轮架(7)设置有两个相互平行设置的穿线管，每个穿线管上设置有一个弹性元件，所述鲍登线(2)缠绕在外关节单元线轮(13)和电机输出端线轮(3)上。

2.根据权利要求1所述的用于创伤手指康复的关节力矩测量系统，其特征在于：关节角度传感器(10)为基于霍尔原理的非接触式位置传感器。

3.根据权利要求1或2所述的用于创伤手指康复的关节力矩测量系统，其特征在于：关节座端盖(11)通过两个螺钉固定在线轮架(7)的上端面上。

4.根据权利要求3所述的用于创伤手指康复的关节力矩测量系统，其特征在于：弹性元件包括压簧(15)和套管(16)，压簧(15)的一端与对应的一个穿线管固接，压簧(15)的另一端与套管(16)固接。

5.根据权利要求4所述的用于创伤手指康复的关节力矩测量系统，其特征在于：鲍登线(2)、压簧(15)、关节线轮(13)和电机输出端线轮(3)构成弹性力矩传感器。

说明书

一种用于创伤手指康复的关节力矩测量系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于创伤手指康复的关节力矩测量系统，属于外骨骼康复手领域。

背景技术

[0002] 上个世纪以来，随着机器人技术的蓬勃发展，许多国内外的研究人员开始尝试着将机器人技术与康复理论结合起来。目前，机器人辅助疗法已经被证明能够有效改善手部运动功能。康复机器人能够对患肢提供连续不断的运动辅助并可以进行准确的位置控制，因此它对减轻传统疗法的劳动强度，实现手部运动功能的康复有着巨大的意义。

[0003] 为了实现机器人运动的闭环控制，同时为了采集在实验过程中病人训练情况的数据以进行实验后期的处理和分析，传感测量装置必须要整合到机器人当中。对于外骨骼手部康复机器人，我们最关心的是手指各个关节的角度信息和手指关节力矩的大小，通过分析这两个指标可以评价康复治疗的效果。

[0004] 目前，已有一些康复机械手被研制出来，而只有极少的康复手设备具有感知功能，这些装置大都采用了采用基于压阻效应的传感器来测量外骨骼和手指的接触力。然而，实验已经证明了这样的测量方式是不准确的。一方面是由于这类传感器本身的特性，另一方面是由于传感器不能够覆盖外骨骼和手指的所有接触范围。比起手指指尖的接触力，我们更希望得到手指各个关节的力矩值。

[0005] 综上，现有的康复机械手一般不具备感知功能，只有少数手指康复机器人能够检测手指关节运动的角度，无法测量手指关节与外骨骼之间的交互作用力大小。

发明内容

[0006] 本发明为解决现有的康复机械手一般不具备感知功能，存在无法测量手指关节与外骨骼之间的交互作用力大小的问题，进而提供一种用于创伤手指康复的关节力矩测量系统。

[0007] 本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

[0008] 本发明的用于创伤手指康复的关节力矩测量系统包括若干个关节力矩测量单元，每个关节力矩测量单元包括外骨骼关节单元1、鲍登线2、电机输出端线轮3和两个弹性元件；电机输出端线轮3安装在驱动电机的输出轴上，外骨骼关节单元1包括关节座14、关节线轮13、关节角度传感器10、两个轴承12、D型轴8、线轮架7、磁钢9和关节座端盖11；D型轴8穿装在关节线轮13上，D型轴8的两端通过两个轴承12安装在线轮架7上，关节角度传感器10通过螺钉固装在线轮架7的上端面上，磁钢9贴在D型轴8的上端面上且磁钢9与关节角度传感器10正对设置，关节座端盖11扣合在线轮架7的上端面上，关节座14固装在线轮架7的侧壁上，线轮架7设置有两个相互平行设置的穿线管，每个穿线管上设置有一个弹性元件，所述鲍登线2缠绕在外关节单元线轮13和电机输出端线轮3上。

[0009] 进一步地，关节角度传感器10为基于霍尔原理的非接触式位置传感器。

[0010] 进一步地，关节座端盖11通过两个螺钉固定在线轮架7的上端面上。

[0011] 进一步地，弹性元件包括压簧15和套管16，压簧15的一端与对应的一个穿线管固接，压簧15的另一端与套管16固接。

[0012] 进一步地，鲍登线2、压簧15、关节线轮13和电机输出端线轮3构成弹性力矩传感器。

[0013] 本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

[0014] 本发明的用于创伤手指康复的关节力矩测量系统采用基于霍尔原理的非接触式位置传感器，能够可靠地安装在外骨骼结构狭小的空间当中测量关节的角位移大小，具有很高的灵敏度和测量精度；

[0015] 本发明设计了一种基于鲍登线的弹性力矩传感器来测量鲍登线传递到机器人关节的力矩，由于弹性元件的变形量和其受的力的大小成正比，弹性元件就可以当作是一种价格低廉的力传感器，只要测得弹性元件的形变量并已知弹性元件的刚度就可以计算得到钢丝的拉力从而对外骨骼关节实现精确的力矩控制；

[0016] 本发明具有辅助创伤手指进行康复训练的功能，同时具有测量创伤手关节运动范围和关节力矩大小的功能；当电机不运行时，患者可以穿戴上装置进行自然运动，测量装置能够得到患者当前状况下手指关节的运动范围和力矩大小；当电机运行时，可以辅助创伤手指进行康复训练，在进行康复训练的同时也可以实时的监测机械手的力/位信息状态，防止手指受到进一步的伤害；同时也可以对康复效果进行评估。

附图说明

[0017] 图1是本发明的用于创伤手指康复的关节力矩测量系统的整体结构立体图；

[0018] 图2是本发明关节力矩测量的结构图；

[0019] 图3是本发明具体实施方式一中外骨骼关节单元1的分解图；

[0020] 图4是本发明具体实施方式五中弹性力矩传感器的分解图；

[0021] 图5是本发明的基于压簧的弹性力矩传感器结构简图；

[0022] 图6是本发明的基于拉簧的弹性力矩传感器结构简图；

[0023] 图7是本发明的基于压簧的弹性力矩传感器原理图。

具体实施方式

[0024] 具体实施方式一：如图1～7所示，本实施方式的用于创伤手指康复的关节力矩测量系统包括若干个关节力矩测量单元，每个关节力矩测量单元包括外骨骼关节单元1、鲍登线2、电机输出端线轮3和两个弹性元件；电机输出端线轮3安装在驱动电机的输出轴上，外骨骼关节单元1包括关节座14、关节线轮13、关节角度传感器10、两个轴承12、D型轴8、线轮架7、磁钢9和关节座端盖11；D型轴8穿装在关节线轮13上，D型轴8的两端通过两个轴承12安装在线轮架7上，关节角度传感器10通过螺钉固装在线轮架7的上端面上，磁钢9贴在D型轴8的上端面上且磁钢9与关节角度传感器10正对设置，关节座端盖11扣合在线轮架7的上端面上，关节座14固装在线轮架7的侧壁上，线轮架7设置有两个相互平行设置的穿线管，每个穿线管上设置有一个弹性元件，所述鲍登线2缠绕在外关节单元线轮13和电机输出端线轮3上。

[0025] 本发明的用于创伤手指康复的关节力矩测量系统安装在手部康复机器人上，手部康复机器人包括拇指外骨骼模块4、四指外骨骼模块5，拇指外骨骼模块4和四指外骨骼模块5均固定在掌背调整机构6上，手部康复机器人通过魔术贴穿戴在人手上。

[0026] 鲍登线由钢丝和套管两部分构成，具有套管所受压力与钢丝所受拉力相等的特性。

[0027] 本发明驱动装置使用直流电机作为动力源，利用鲍登线2通过电机输出端线轮3，将驱动电机输出的力矩传递到外骨骼的各个驱动关节处以带动手指做康复训练运动；外骨骼康复手的每个驱动关节处都安装有关节角度传感器10以测量关节的角位移；在鲍登线2和外骨骼关节单元1之间引入弹性元件，构成弹性力矩传感器，当电机驱动外骨骼关节单元1旋转时，外骨骼关节单元1的力矩通过弹性力矩传感器可以计算出来。

[0028] 在测量角度位置时，芯片位于固定在转轴上的磁钢9下方，磁钢9为径向充磁，因此当D型轴8旋转时，穿过霍尔芯片的磁场也跟着旋转。根据霍尔效应，霍尔芯片中的两个霍尔元件会产生的感应电动势Vx和Vy，令θ′＝arctan(Vy/Vx)，通过判断Vx和Vy的正负就可以得到转轴的转角α。

[0029] 在鲍登线传动机构中串联弹性元件，为测量鲍登线中钢丝的张力提供了解决系统。当电机不运行时，患者可以穿戴上装置进行运动，由于此时电机输出端线轮3不可转动，故手指关节施加的力矩会使得钢丝的拉力增大，从而导致弹性元件发生形变；当电机运行时，钢丝会带动关节线轮13转动，当关节线轮13的转动受到阻力时，钢丝的拉力同样会增大，同样导致弹性元件发生形变；弹性元件的形变量等于钢丝在电机端线轮和关节端线轮上走过的弧长差，分别通过编码器测量电机端的转角和关节角度传感器测量关节端的转角即可计算得到钢丝传递给外骨骼关节的力矩大小。

[0030] 本发明提供了两种结构形式的弹性力矩传感器，一种基于压簧，而另一种基于拉簧。

[0031] 如图7所示的基于压簧的弹性力矩传感器的原理图，令两边压簧的刚度相等，则可以计算得到外骨骼关节的力矩大小为

[0032] τJ＝(T1-T2)rJ＝2k(ΔθMrM-ΔθJrJ)rJ   (1)

[0033] 如图7所示，两根钢丝分别穿过压簧1，2和鞘1，2，钢丝一端固定在电机端的M点处，钢丝另一端固定在关节端的J点处。如图7所示，电机顺时针转动时，上面的钢丝1则被拉紧，在关节端处其所受拉力由预紧力T0增大到了T1；下面的钢丝2则被放松，在关节端处其所受拉力由预紧力T0减小到了T2。两根钢丝的一端由M1运动到了M2，另外一端由J1运动到了J2。

[0034] 上面的钢丝1在电机转动之前，压簧的长度为l1，钢丝的长度为J1到M1的段路径长度，从而得出电机转动之前J1到M1这段路径钢丝1的长度L1：

[0035]

[0036] ——钢丝在关节端线轮上的固定点J的初始位置；

[0037] ——钢丝在电机端线轮上的固定点M的初始位置；

[0038] m——将AB之间除去压簧部分的钢丝长度记为m；

[0039] rJ——关节端线轮的半径；

[0040] rM——电机端线轮的半径；

[0041] 由于鞘是不可压缩的，故不论鞘怎样的弯曲变形，在鞘中的钢丝的长度始终保持不变，即m是固定不变的；

[0042] 当电机转过 时，钢丝1压簧的长度变为l1′，钢丝的长度为J2到M2的路径长度，从而得出电机转动后J1到M1这段路径钢丝2的长度L2：

[0043]

[0044] ——电机转动后钢丝在关节端线轮上的固定点J的位置；

[0045] ——电机转动后钢丝在电机端线轮上的固定点M的初始位置；

[0046] 由于忽略钢丝的形变量，则L1＝L2，即：

[0047]

[0048] 则可得到：

[0049]

[0050] 松边在电机转动之前，松边压簧的长度为l2，钢丝的长度为J1到M1这段路径钢丝的长度：

[0051]

[0052] 当电机转过 时，松边压簧的长度变为l2′，钢丝的长度为J2到M2这段路径钢[0053] 丝的长度：

[0054]

[0055] 同样，我们忽略钢丝的形变量，L1＝L2，即：

[0056]

[0057] 则可得到：

[0058]

[0059] 又由胡克定律得：

[0060]

[0061] 式中k1——钢丝1穿过的压簧的刚度；

[0062] k2——钢丝2穿过的压簧的刚度；

[0063] F0——鞘1，2对压簧的初始压力；

[0064] F1——鞘1对压簧的压力；

[0065] F2——鞘2对压簧的压力；

[0066] 由压簧特性可知：

[0067]

[0068] 我们令两根压簧的刚度相等，即：k1＝k2＝k，则可以得到：

[0069]

[0070] 因此，我们可以计算得到钢丝传递给外骨骼关节处的力矩为：

[0071]

[0072] 式中ΔθJ——关节端线轮转过的角度；

[0073] ΔθM——电机端线轮转过的角度。

[0074] 拉簧结构计算外骨骼关节转矩的具体过程与上述过程类似，这里不再重述。由于压簧结构在操作过程中能够减小弹簧的长度，可以避免与其他组件的干涉；同时，压簧一端是固定在外骨骼的基础上的，不会发生移动。因而，本发明采用的是压簧结构，这种结构减少了外骨骼对空间的需求。

[0075] 所述的手部康复机器人控制系统是通过人机交互设备给出指令，指令再通过蓝牙通信发送给驱动控制器FPGA以驱动电机；驱动控制器接收到传感器采集到的信息，一方面实现电机的闭环控制，另一方面通过蓝牙通信将信息发送到人机交互设备，由人机交互设备记录并保存下康复训练的信息。当检测到驱动关节的力矩大于医生规定的值时，电机反方向旋转，防止对关节造成二次伤害。一次康复训练完成之后，可以让电机停转，患者自己活动手指以检测手指关节的主动力矩大小值，可以方便的评价康复的效果。

[0076] 具体实施方式二：如图3所示，本实施方式关节角度传感器10为基于霍尔原理的非接触式位置传感器。如此设计，在测量角度位置时，芯片位于固定在转轴上的磁钢9下方，磁钢9为径向充磁，因此当D型轴8旋转时，穿过霍尔芯片的磁场也跟着旋转。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

[0077] 具体实施方式三：如图3所示，本实施方式关节座端盖11通过两个螺钉固定在线轮架7的上端面上。如此设计，拆卸方便。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

[0078] 具体实施方式四：如图2和图4所示，本实施方式弹性元件包括压簧15和套管16，压簧15的一端与对应的一个穿线管固接，压簧15的另一端与套管16固接。如此设计，由于弹性元件的变形量和其受的力的大小成正比，弹性元件就可以当作是一种价格低廉的力传感器。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

[0079] 具体实施方式五：如图2和图3所示，本实施方式鲍登线2、压簧15、关节线轮13和电机输出端线轮3构成弹性力矩传感器。如此设计，在鲍登线传动机构中串联弹性元件，为测量鲍登线中钢丝的张力提供了解决系统；当电机不运行时，患者可以穿戴上装置进行运动，由于此时电机端的线轮(3)不可转动，故手指关节施加的力矩会使得钢丝的拉力增大，从而导致弹性元件发生形变；当电机运行时，钢丝会带动关节线轮13转动，当关节线轮13的转动受到阻力时，钢丝的拉力同样会增大，同样导致弹性元件发生形变。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。