黃庭威，石 琛

（1.中南大學(xué)機電工程學(xué)院，長沙 410083；2.中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國家重點實驗室，長沙 410083）

0 引言

軟體機器人是當(dāng)下研究的熱點，如今軟體機構(gòu)在醫(yī)療康復(fù)設(shè)備和軟體機械手上有廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計屬于醫(yī)療康復(fù)機械，是一款用于手部運動康復(fù)功能的軟體機器人設(shè)備。很多疾病及外傷都會使病人的手部運動功能喪失，手部的受傷會給患者的日常生活帶來極大的不便。醫(yī)學(xué)證明，可以通過肢體訓(xùn)練，恢復(fù)患者的肢體損傷，防止肌肉萎縮。手部外骨骼機器人可以減輕患者的生活不便，促進患者的手部肢體功能性康復(fù)。本設(shè)計可以讓患者隨身攜帶，做到輕量化，具有很高的便攜性，具有重要的意義。

目前手部康復(fù)設(shè)備已經(jīng)有一定的研究，取得一些成績，圖1（a）所示為東京工業(yè)大學(xué)開發(fā)的雙向運動的手部康復(fù)設(shè)備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜[1]。裝置的執(zhí)行器是直線式氣動肌肉，每根手指有一個執(zhí)行器。圖1（b）所示為美國科研人員Wege A發(fā)明的線驅(qū)動的康復(fù)機械手[2]，通過鋼絲繩的拉伸驅(qū)動手指的伸展運動。

圖1 手部康復(fù)設(shè)備

圖2 所示為香港理工大學(xué)和香港中文大學(xué)合作研制的中風(fēng)手指康復(fù)設(shè)備[3]，結(jié)構(gòu)同樣復(fù)雜。通過電機控制驅(qū)動掌故關(guān)節(jié)和指骨關(guān)節(jié)的運動，可用肌電信號控制。圖3 所示為德國FESTO 研制的手部康復(fù)機器人設(shè)備Exo-Hand，采用氣動控制，手指背側(cè)的外骨骼連桿體積很大，手指的靈活性受很大的影響[4]。

圖2 港理工與港科的中風(fēng)外骨骼機器人

圖3 Exo-Hand機器人

本文針對目前手部康復(fù)設(shè)備笨重、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點，設(shè)計一款便攜性軟體康復(fù)機器人。該機器人可以根據(jù)患者手指長度調(diào)整軟體手指的尺寸，通過氣動驅(qū)動軟體手指的方式使得患者可以完成屈伸、抓取物體等動作，完成對手部患者的康復(fù)訓(xùn)練。

1 總體方案設(shè)計

該款軟體康復(fù)設(shè)備的設(shè)計主要包括軟體手指、硬件電路、氣動驅(qū)動回路、控制程序4個部分。通過嵌入式編程控制硬件電路驅(qū)動氣泵和閥，實現(xiàn)對驅(qū)動系統(tǒng)的控制，驅(qū)動系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)換為氣體的壓力能，驅(qū)動軟體手指，如圖4所示。

圖4 總體方案框圖

圖5 人手關(guān)節(jié)示意圖[5]

2 軟體手指設(shè)計及Abaqus仿真

本文對于軟體手指的設(shè)計，首先分析人手骨骼結(jié)構(gòu)，查閱醫(yī)學(xué)文獻，得到手部手指的數(shù)據(jù)，如圖5所示。根據(jù)指骨尺寸調(diào)整軟體手指的尺寸，對于設(shè)計結(jié)果，通過Abaqus仿真驗證其合理性。

成年后，人體手指指骨的長度都穩(wěn)定在一個范圍內(nèi)。人體的手指骨骼又分為近指骨、中指骨、遠指骨。指骨與指骨之間相連形成關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)之間通過肌肉進行驅(qū)動，而骨骼起到支撐的作用。表1所示為成年人手指指骨長度[5]。

表1 成年人手指指骨長度mm

根據(jù)指骨的長度，設(shè)計軟體手指關(guān)節(jié)的尺寸，使用Solidworks對軟體手指進行建模。軟體手指的基本結(jié)構(gòu)是一個中空的腔體[6]，在指骨關(guān)節(jié)設(shè)置氣室，在底層黏貼限制伸長的布層，在氣壓驅(qū)動下，氣室膨脹迫使手指彎曲。手指的制作需要通過硅膠澆注，由于氣室是中空結(jié)構(gòu)，無法一次澆注完成，需要分成上、下2部分分別澆注再用膠水貼合密封。軟體手指結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 軟體手指結(jié)構(gòu)圖

為驗證軟體設(shè)計的合理性，使用Abaqus軟件進行變形有限元分析，如圖7 所示。分析時，材料定義為Ecoflex 硅膠，使用Yeoh五參數(shù)能量密度模型。假設(shè)材料各項同性，軟體手指的網(wǎng)格劃分使用實心四面體二次雜交元(C3D10H 單元類型)建模[7]。表2所示為Yeoh能量密度模型系數(shù)[8]。

表2 Yeoh能量密度模型系數(shù)

負載為作用在軟體手指內(nèi)腔上及其連通孔的均布負載。圖8所示為不同氣壓下各指骨的相對基指骨的彎曲角度?？梢钥闯觯涹w手指達到預(yù)期要求。軟體手指只在關(guān)節(jié)處彎曲，手指彎曲時，實現(xiàn)屈伸動作。0～0.14 MPa的范圍內(nèi)，關(guān)節(jié)彎曲角度隨氣壓壓強增大而增大。

圖7 軟體手指變形仿真

圖8 不同壓強下指骨的彎曲角度

3 軟體手指運動空間分析

采用D-H法對軟體手指進行運動學(xué)建模和分析。在手指關(guān)節(jié)連接點建立相對坐標(biāo)系xijyijzij，其中，i=1,2,3,4,5分別為拇指、食指、中指、無名指和小指；j=1,2,3,4 為各手指關(guān)節(jié)點。圖9所示為軟體手坐標(biāo)系[9]。

圖9 軟體手坐標(biāo)系

D-H法由L、d、α、θ4個參數(shù)組成，L為桿件長度，d為x 軸方向兩坐標(biāo)系的長度，α為桿件轉(zhuǎn)角，θ為x 軸繞y 軸旋轉(zhuǎn)到z軸的角度。表3所示為D-H系數(shù)。

表3 D-H系數(shù)

建立手指關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)換矩陣，手指上的任意關(guān)節(jié)的坐標(biāo)，都可以通過關(guān)節(jié)變換得到：

4 硬件電路設(shè)計

對于便攜式康復(fù)手套設(shè)備的硬件電路，采用Altium Designer 軟件設(shè)計原理圖和繪制PCB 文件。主要闡述對MCU 的選擇、氣泵電機驅(qū)動電路和電磁閥電路的設(shè)計。

硬件電路的MCU選用恩智浦公司的K60控制器，型號是MK60DN512VLL10。該單片機采用Cortex-M4內(nèi)核[10]。Flash內(nèi)存為512 kB。MK60DN512VLL10 擁有豐富的模塊，DSP、NVIC、SysTick、SCB、MPU、FPU 等。K60 控制器在電機控制、汽車電子、電源管理、嵌入式音頻和工業(yè)自動化上具有廣泛的應(yīng)用。

圖10 MK60DN512最小系統(tǒng)

對于氣泵電機驅(qū)動的控制策略是H 橋驅(qū)動，采用N 溝道MOSFET 和專用柵極驅(qū)動芯片。柵極驅(qū)動芯片采用國產(chǎn)芯片F(xiàn)D8266，每塊該類芯片可以構(gòu)建3個半橋驅(qū)動，通過4個N 溝道MOSFET構(gòu)建H橋[11]。如圖11所示。

圖11 柵極驅(qū)動芯片F(xiàn)D8266

電磁換向閥，本質(zhì)就是一個繼電器。由于單片機的拉電流和灌電流較弱，驅(qū)動能力差，在驅(qū)動繼電器這種大功率器件的時候，可以使用三極管。在繼電器線圈兩端反向并聯(lián)抑制二極管，以吸收線圈斷電時產(chǎn)生的自感電動勢[12]。如圖12所示。

圖12 繼電器控制電路

圖13 充氣、保持、放氣3種狀態(tài)

5 氣動驅(qū)動系統(tǒng)

本設(shè)計軟體手指的驅(qū)動方式為氣壓驅(qū)動。氣動驅(qū)動系統(tǒng)由氣泵、電磁換向閥和軟管組成。對氣路回路，首先需要設(shè)計可以保持充氣、放氣和保持3種狀態(tài)，通過兩位兩通閥與兩位三通閥的組合可以實現(xiàn)這3種狀態(tài)[13]。如圖13所示。

采用直流電機驅(qū)動氣泵，軟體手指抓取物體時，拇指需要更大的驅(qū)動，所以拇指軟體手指需要單獨一個氣泵驅(qū)動，而食指、中指和無名指、小指用一臺電機驅(qū)動，如此，可以使資源更合理分配，減輕重量，更具便攜性。如圖14所示。

圖14 氣動驅(qū)動系統(tǒng)

6 控制策略

在控制策略上，首先從患者的手部獲取表面肌電信號，整流濾波后獲得系統(tǒng)輸入量，通過PID 計算后得到控制量，單片機產(chǎn)生PWM 波控制電機轉(zhuǎn)速從而控制驅(qū)動回路的氣壓。產(chǎn)生響應(yīng)后，氣壓傳感器和壓力傳感器產(chǎn)生響應(yīng)的氣壓值和壓力值完成反饋。按鍵電路和OLED顯示屏的組合可以實現(xiàn)對系統(tǒng)參數(shù)的修改，以及系統(tǒng)狀態(tài)的顯示。如圖15所示。

圖15 系統(tǒng)控制框架

肌電信號是一維動作電位序列，為交流信號，有效頻段在于0～500 Hz，如今市面已經(jīng)集成肌電信號采集板，對肌電信號進行放大濾波餡波處理[14]。如圖16所示。

圖16 sEMG肌電信號

由于肌電信號是微弱的電信號，容易受到心電信號的影響和傳感器本身的干擾，在硬件濾波外，還可以采用軟件卡爾曼濾波，進一步降低干擾，卡爾曼濾波是通過狀態(tài)量的估計值和實際值之間的均方誤差的最小準(zhǔn)則來實現(xiàn)的?；谶@種準(zhǔn)則，使得狀態(tài)量的估計值越來越接近實際值。卡爾曼濾波的數(shù)學(xué)方程分為預(yù)測方程和更新方程[15]。

預(yù)測方程：

更新方程：

通過一個簡單的驗證就可以看出卡爾曼濾波的效果，假設(shè)一個質(zhì)點進行勻速的直線運動，然后引入一個非常大的噪聲，再用卡爾曼濾波對質(zhì)點的運動狀態(tài)進行濾波處理。如圖17所示。通過Matlab計算可得，經(jīng)過若干次迭代，濾波效果非常明顯。

圖17 卡爾曼濾波Matlab驗證

對于系統(tǒng)控制，設(shè)置氣壓內(nèi)環(huán)與壓力外環(huán)，氣壓內(nèi)環(huán)可以監(jiān)控氣動回路氣壓的最大值，防止氣壓過大造成軟體手指破裂。由于壓力外環(huán)只有在患者抓取物體接觸時才產(chǎn)生反饋，加入氣壓內(nèi)環(huán)可以讓系統(tǒng)反應(yīng)更靈敏、快速，能夠消除擾動，系統(tǒng)調(diào)節(jié)更迅速，降低偏差。如圖18所示。

對于系統(tǒng)外環(huán)，可以檢測患者抓取時的合適力度，保證平穩(wěn)抓取。

圖18 系統(tǒng)控制原理圖

7 設(shè)備便攜性評估

目前市面上康復(fù)設(shè)備存在機構(gòu)笨重、便攜性低等問題，本文設(shè)計一種基于Cortex-M4 微控制器的便攜式軟體康復(fù)手套，設(shè)備體積小、重量輕，大大提高了便攜性，非常有利于患者的手部康復(fù)。康復(fù)手套配套的控制箱，其各模塊的質(zhì)量如表4所示。整一套設(shè)備的整體質(zhì)量可以控制在5 kg以內(nèi)，可以通過肩帶佩戴在背部，隨身攜帶，具備很高的便攜性。如圖19所示。

表4 主要硬件模塊質(zhì)量

圖19 設(shè)備三維圖

8 結(jié)束語

目前手部軟體康復(fù)手套的研究已經(jīng)取得一些成績，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、便攜性差、價格昂貴。針對這種情況，本文設(shè)計一種基于Cortex-M4微控制器的便攜式軟體康復(fù)手套，設(shè)計軟體手指結(jié)構(gòu)并通過Abaqus有限元仿真驗證合理性，設(shè)計硬件電路繪制PCBb板，設(shè)計氣動驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。本設(shè)計具備便攜性好、價格低等特點，具有很大的發(fā)展前景。