劉 楊，張道輝，楊青銘，趙新剛

（1.沈陽化工大學(xué) 信息工程學(xué)院，沈陽 110142；2.中國科學(xué)院 沈陽自動(dòng)化研究所 機(jī)器人學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110016；3.東北大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110819）

近幾年，以軟體生物為參考的軟體機(jī)器人技術(shù)迅速發(fā)展，基于智能軟材料研發(fā)高自由度的軟體機(jī)器人受到廣泛關(guān)注。和傳統(tǒng)剛性機(jī)器人相比，軟體機(jī)器人具備柔軟、親和性好、仿生程度高等特點(diǎn)。軟體手部康復(fù)機(jī)器人是穿戴式機(jī)器人新的研究方向。它廣泛應(yīng)用在人機(jī)交互、康復(fù)醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[1-2]。機(jī)器人輔助治療對(duì)中風(fēng)患者運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)大有裨益。

康復(fù)手的驅(qū)動(dòng)方式包括電驅(qū)動(dòng)、氣驅(qū)動(dòng)等，憑借其不同的驅(qū)動(dòng)原理可以實(shí)現(xiàn)不同的功能。剛性康復(fù)手采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，它的優(yōu)點(diǎn)是自帶傳感反饋的電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)主動(dòng)康復(fù)的功能，和軟體手相比，它的柔順性不夠且穿戴的舒適度較差。而已有的氣驅(qū)動(dòng)康復(fù)手可訓(xùn)練動(dòng)作較少，有的使用商業(yè)傳感器，甚至一些康復(fù)手沒有傳感器，市場上現(xiàn)有的軟體康復(fù)手，如格美公司的軟體康復(fù)手沒有傳感技術(shù)，無法實(shí)現(xiàn)控制手指到達(dá)精確位置[3-4]。使用商業(yè)傳感器的軟體康復(fù)手普遍存在傳感器靈敏度不高的問題，導(dǎo)致手指反饋的彎曲角度不準(zhǔn)確，從而造成康復(fù)效果不佳。文獻(xiàn)[5]結(jié)合Flex sensor2.2 商業(yè)傳感器設(shè)計(jì)的基于氣驅(qū)動(dòng)柔性手部功能康復(fù)機(jī)器人，存在小角度彎曲時(shí)傳感器角度變化不明顯且軟體手指的實(shí)際彎曲角度與預(yù)期目標(biāo)值存在較大的誤差的問題；文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)的基于纖維增強(qiáng)的軟體康復(fù)手套可以產(chǎn)生彎曲、扭轉(zhuǎn)和伸展的運(yùn)動(dòng)形式，但它的魯棒性差，驅(qū)動(dòng)器疲勞壽命短；文獻(xiàn)[7-8]分別研制了一款由氣動(dòng)肌肉和扭簧雙驅(qū)動(dòng)的可以實(shí)現(xiàn)雙向移動(dòng)的手背式外骨骼機(jī)器人和一款氣驅(qū)的軟體材料的可穿戴式手部康復(fù)外骨骼機(jī)器人。前者四指采用一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，所以不能實(shí)現(xiàn)DIP 關(guān)節(jié)的屈曲、伸展和單指運(yùn)動(dòng)，后者可以實(shí)現(xiàn)手部五指的屈曲、伸展，但是每個(gè)執(zhí)行器只有單自由度與手指的耦合度欠佳，沒有反饋機(jī)制[9-10]。

針對(duì)上述問題，本文提出了基于光波導(dǎo)的傳感驅(qū)動(dòng)一體化軟體康復(fù)手控制系統(tǒng)。自制的柔性光纖傳感器與商業(yè)傳感器相比靈敏度更高，對(duì)紋理和硬度的識(shí)別效果好，并且系統(tǒng)通過反饋信號(hào)能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)反饋控制。之后將軟體驅(qū)動(dòng)單元與柔性傳感進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)與制造，開發(fā)出驅(qū)動(dòng)傳感一體化的軟體康復(fù)手。最后，通過單指訓(xùn)練、對(duì)指訓(xùn)練和抓握訓(xùn)練等多種輔助訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了軟體手部康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)的有效性和實(shí)用性。

1 傳感驅(qū)動(dòng)一體化的軟體康復(fù)手

柔性傳感技術(shù)與軟體驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，開發(fā)具有傳感驅(qū)動(dòng)一體化驅(qū)動(dòng)單元的軟體康復(fù)手。它防止對(duì)患者造成二次傷害。軟體手部康復(fù)機(jī)器人對(duì)恢復(fù)中風(fēng)患者的手部康復(fù)具有深刻意義。

1.1 柔性光纖傳感器的設(shè)計(jì)與性能測試

柔性光纖傳感器主要由表皮層、核心層及紅外收發(fā)二極管組成，其物理結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其中表皮層和核心層的材料由柔性材料制作而成，表皮層選用低折射率且不透明的硅膠材料制備（Dragon Skin 30A/B，Smooth-On Inc.），核心層選用高折射率且透明的聚氨酯材料制備（Clear Flex 30A/B，Smooth-On Inc.）。紅外收發(fā)二極管的波長為940 nm，能較好地在光纖中傳播光源。光敏二極管通過反向P 偏置3.3 V 電壓并串聯(lián)一個(gè)大電阻值為2 MΩ，可使輸出電壓Vout不超過3.3 V，這種反接法具有響應(yīng)速度快、干擾小的特點(diǎn)，確保樹莓派3b+上的ADC 引腳不會(huì)因電壓過高而燒壞。與電阻材料或?qū)щ娨后w制成的傳感器相比，使用的壽命更長，在壓力不同時(shí)輸出的信號(hào)足夠穩(wěn)定，主體結(jié)構(gòu)皆由柔性材料制成，其拉伸性能好，通過標(biāo)定及拉伸等方式都證明了柔性光纖傳感器的穩(wěn)定性和實(shí)用性。

圖1 傳感器物理結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Physical structure diagram of sensor

1.2 軟體傳感驅(qū)動(dòng)一體化設(shè)計(jì)

為保障人機(jī)交互的安全性，本文驅(qū)動(dòng)器在結(jié)構(gòu)上增添彈性材料以起到緩沖的作用；另一方面，通過優(yōu)化控制算法和增加反饋信號(hào)的數(shù)量實(shí)現(xiàn)精確控制。如圖2 所示，驅(qū)動(dòng)器通過順應(yīng)性地嵌入傳感，通過封裝工藝、建模和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的形式與多模態(tài)柔性傳感相結(jié)合，構(gòu)成了軟體傳感驅(qū)動(dòng)一體化結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)每根手指進(jìn)行獨(dú)立的速度和角度調(diào)節(jié)，使得整套系統(tǒng)更加靈活和多變，滿足不同損傷等級(jí)患者的康復(fù)需求。

圖2 軟體驅(qū)動(dòng)一體化結(jié)構(gòu)實(shí)物圖Fig.2 Physical diagram of integrated structure of soft drive

1.3 軟體康復(fù)手套的設(shè)計(jì)與制作

本文設(shè)計(jì)研制的軟體康復(fù)手機(jī)器人的整體思路是將5 個(gè)軟體驅(qū)動(dòng)器集成到織物手套的背側(cè)，在經(jīng)過加壓后帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的屈曲和拉伸，進(jìn)而帶動(dòng)人手指的運(yùn)動(dòng)。

驅(qū)動(dòng)器采用一體化多腔體手指設(shè)計(jì)，Solid-Works 計(jì)算機(jī)建模軟件對(duì)預(yù)設(shè)物體形狀進(jìn)行3D 建模，由于人手的五指長度有所差別，因此設(shè)計(jì)了2種長度尺寸壁厚均為3 mm 的軟體驅(qū)動(dòng)器，大、小拇指適用于92 mm 的驅(qū)動(dòng)器，其余三指適用于133 mm的驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證軟體驅(qū)動(dòng)器的長度尺寸是適用于大多數(shù)人使用的。主體材料選擇Smooth-on 公司生產(chǎn)的Dragon Skin 30 系列鉑金固化硅膠作為氣動(dòng)結(jié)構(gòu)的制備材料。

本文選用體積大小適中、材質(zhì)柔軟透氣、厚度輕薄的織物手套。設(shè)計(jì)制作好的軟體康復(fù)手套如圖3 所示，保證設(shè)計(jì)出與手部貼合度高的且彎曲靈活性良好的軟體康復(fù)手。

圖3 軟體康復(fù)手套實(shí)物圖Fig.3 Soft rehabilitation gloves physical picture

2 軟體康復(fù)手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟體康復(fù)手的變形結(jié)構(gòu)采取氣體驅(qū)動(dòng)的方式，通過樹莓派3b+控制板控制相關(guān)設(shè)備，包括控制氣壓的輸入與反饋，從而實(shí)現(xiàn)軟體康復(fù)手的各種運(yùn)動(dòng)形式；控制氣泵和高速開關(guān)閥改變流體流量大小，來實(shí)現(xiàn)軟體康復(fù)手的彎曲度和抓取力大小的改變。柔性光纖傳感器基于PID 控制算法形成了閉環(huán)反饋控制。軟體康復(fù)手的硬件系統(tǒng)實(shí)物圖如圖4 所示。

圖4 硬件系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.4 Hardware system physical diagram

本系統(tǒng)控制原理圖如圖5 所示，樹莓派3b+作為主控制器，輸出PWM 模擬信號(hào)，將信號(hào)通過PWM-V轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后可實(shí)現(xiàn)對(duì)氣泵的啟動(dòng)、調(diào)速和控制高速開關(guān)閥的通斷電時(shí)間。而繼電器控制高速開關(guān)閥的通斷，高速開關(guān)閥采用的是兩位三通換向閥，具有使用壽命長、可長時(shí)間連續(xù)通電、耐沖擊、耐振動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。使用自制的柔性光纖傳感器可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制回路。本文氣驅(qū)動(dòng)軟體康復(fù)手的優(yōu)勢是將軟體驅(qū)動(dòng)器固定在商用手套上，患手與康復(fù)手套緊密貼合，通過控制流體的流量大小可以實(shí)現(xiàn)較為流暢和大角度的彎曲動(dòng)作，帶動(dòng)人手完成類似抓握、伸掌、捏指等手勢，在實(shí)際的操作過程中，舒適度較高，能夠展現(xiàn)出較好的康復(fù)訓(xùn)練效果，擁有較大的使用價(jià)值和發(fā)展空間。整個(gè)硬件電路部分模塊組成如表1 所示。硬件電路的控制器為RaspberryPi3b+，由于控制板無數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換模塊，而氣泵和高速開關(guān)閥需要DAC 擴(kuò)展模塊提供驅(qū)動(dòng)，柔性光纖傳感器反饋的模擬信號(hào)也需要DAC 擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)電路的閉環(huán)反饋控制，所以選用了樹莓派高精度AD/DA 擴(kuò)展版，可以提供8 路DAC 輸出。

表1 硬件電路部分模塊Tab.1 Hardware circuit part module

圖5 控制系統(tǒng)原理圖Fig.5 Control system schematic

3 軟體康復(fù)手控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測試

本文設(shè)計(jì)了軟體康復(fù)手控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測試。包括柔性光纖傳感器標(biāo)定試驗(yàn)，軟體康復(fù)手單指、多指和抓握等靈活多樣的康復(fù)訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)，以及硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測試，保證軟體康復(fù)手系統(tǒng)所有功能模塊的實(shí)用性、安全性和可靠性。

3.1 基于柔性光纖傳感標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

因柔性傳感器需要嵌入在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部，且要帶動(dòng)柔性手套進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，而驅(qū)動(dòng)器彎曲角度受壓力影響較大，輸入相同壓力下，單獨(dú)標(biāo)定驅(qū)動(dòng)器和粘在手套上帶動(dòng)手指運(yùn)動(dòng)標(biāo)定的彎曲角度相差較大，考慮其準(zhǔn)確性，所以本文采用戴上手套進(jìn)行標(biāo)定的方法。如圖6 所示，依次為五指不同角度時(shí)傳感器對(duì)應(yīng)的電壓值。橫坐標(biāo)代表柔性光纖傳感器的彎曲角度，縱坐標(biāo)代表傳感器輸出電壓，柔性光纖傳感器的電壓是3.3 V，但為了更好地觀察其曲率變化此處電壓做了放大處理。因不同柔性光纖傳感器存在差異性，五指結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)各異，所以輸出電壓和彎曲角度也不盡相同，對(duì)柔性光纖傳感進(jìn)行標(biāo)定目的是為了確保軟體康復(fù)手能夠?qū)崿F(xiàn)精確地控制。

圖6 五指不同角度傳感器對(duì)應(yīng)的電壓值Fig.6 Five refers to voltage value corresponding to sensor at different angles

3.2 單多指及抓握靈活多樣的訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)

根據(jù)日常生活中人手的運(yùn)動(dòng)習(xí)慣，設(shè)計(jì)了一些特定的訓(xùn)練模式，通過控制氣動(dòng)變化曲線并規(guī)劃手指的運(yùn)動(dòng)順序，從而產(chǎn)生這些不同的運(yùn)動(dòng)，如圖7所示，依次為握拳、反向拉伸、對(duì)指拿捏的手勢動(dòng)作。不同手勢動(dòng)作對(duì)應(yīng)的彎曲角度變化曲線如圖8所示，動(dòng)作1 代表握拳、動(dòng)作2 代表張手、動(dòng)作3 代表對(duì)指拿捏。如圖9 所示，在物體抓握實(shí)驗(yàn)中，選取了4 種日常生活中常見的不同形狀尺寸的物體，包括水瓶、蘋果、簽字筆和手機(jī)。

圖7 不同手勢動(dòng)作圖Fig.7 Diagram of different hand gestures

圖8 不同手勢動(dòng)作對(duì)應(yīng)的彎曲角度變化Fig.8 Variation of bending angles for different hand movements

圖9 抓握實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練圖Fig.9 Experimental grip training chart

結(jié)合增量PID 控制算法分別對(duì)5 根手指進(jìn)行了單獨(dú)的反饋控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)手指彎曲角度更加精準(zhǔn)的定位。壓力是手指氣腔內(nèi)實(shí)時(shí)的壓力變化，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試軟體康復(fù)手指能承受的最高壓力值為1.5 bar，PID 代表軟體康復(fù)手指的PID 控制調(diào)節(jié)曲線，角度代表的是目標(biāo)角度下的實(shí)際彎曲角度。同時(shí)以食指為例，設(shè)定期望目標(biāo)值從10°開始每間隔10°增加1 次角度，將實(shí)際值與目標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)在輸入壓力相同的條件下，實(shí)際彎曲角度比目標(biāo)角度低，這是由于織物手套及嵌入的傳感器會(huì)對(duì)軟體手指的彎曲能力造成一定的阻礙作用，但誤差值在理想范圍內(nèi)，說明整個(gè)軟體康復(fù)手套的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了基于光波導(dǎo)的傳感驅(qū)動(dòng)一體化軟體康復(fù)手控制系統(tǒng)。一體化多腔室手指作為驅(qū)動(dòng)器，并將軟體驅(qū)動(dòng)單元與柔性光纖傳感器進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)與制造，采用順應(yīng)性嵌入柔性光纖傳感器對(duì)軟體手指的彎曲角度進(jìn)行實(shí)時(shí)的反饋，并利用增量式PID控制方法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制。最后，結(jié)合所搭建的軟體康復(fù)手想要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，驗(yàn)證了軟體手部康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在未來的工作中，會(huì)將肌電交互控制加入進(jìn)來，根據(jù)患者的表面肌電數(shù)據(jù)準(zhǔn)確識(shí)別出患者的運(yùn)動(dòng)意圖，發(fā)揮患者的主動(dòng)性進(jìn)而加快患者的康復(fù)速度。