一種三自由度人體手臂震顫運動仿真機器人的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種三自由度人體手臂震顫運動仿真機器人，該機器人包括手臂震顫模擬系統(tǒng)、震顫激勵系統(tǒng)、震顫運動檢測系統(tǒng)、信號處理與控制系統(tǒng)。本發(fā)明提出一種利用機械機構(gòu)模擬人體手臂震顫運動的機器人裝置。手臂震顫模擬系統(tǒng)工作時，震顫運動檢測系統(tǒng)感知手臂震顫模擬系統(tǒng)的運動信息，驗證現(xiàn)有的“震顫”運動與控制算法所要求的“震顫”運動是否一致；通過信號處理與控制系統(tǒng)的作用，可以改變手臂震顫模擬系統(tǒng)的幅度和頻率，使該機器人產(chǎn)生所需要的震顫運動。有效地解決了出于安全和技術(shù)原因無法多次在真實的震顫患者身上驗證震顫策略的問題，對于新的震顫抑制策略的研究具有重要的作用。
【專利說明】一種三自由度人體手臂震顫運動仿真機器人
[0001]

【技術(shù)領(lǐng)域】
本發(fā)明屬于醫(yī)療機器人領(lǐng)域、實驗機器人領(lǐng)域，具體是指一種用于模仿人體手臂震顫運動的三自由度全驅(qū)動仿真機器人平臺。
[0002]

【背景技術(shù)】
[0003]震顫是一種不自主的、有節(jié)律性的、近似正弦往返擺動的肢體運動。40歲以上的中老年人有5%的人患有震顫疾病，特別是帕金森氏病，為近一二十年發(fā)病率呈上升趨勢的常見病，患病率每10萬人西方106-307人，亞洲為44-82人，非洲31-58人，60歲以上人群中PD的患病率約達1%。震顫常見與人的肢體特別是手臂，影響精細動作、書寫和餐飲，嚴重時可對病人的日常生活、工作、社會交往等帶來諸多不便。盡管目前國內(nèi)外很多研究機構(gòu)對震顫研究很多年，但總的來說，存在如下問題:1.由于目前震顫的機理和起源至今尚未明確，對于震顫的治療大多采用探索性方式，無法從根本上治愈；2.各種治療藥物雖能使震顫患者的臨床癥狀在一定時間內(nèi)獲得一定程度的好轉(zhuǎn)，但均不能阻止本病的自然進展，且各種藥物都有不同程度的副反應(yīng)，因而限制了其自身在臨床上的應(yīng)用；3.目前，一些較為先進的療法尚處于研究階段，雖然實驗證明能較明顯的提高該病的臨床緩解率，減少了副作用，但也存在價格昂貴、遠期療效尚難肯定等問題。
[0004]研究表明，除了常規(guī)藥物治療之外，生物力加載(b1mechanical loading)、功能性神經(jīng)肌肉刺激(Funct1nal neuromuscular stimulat1ns, FNS)技術(shù)以及康復(fù)訓(xùn)練等是抑制震顫運動的有效措施。基于生物力加載的震顫抑制措施是通過控制外部負載增加患者手臂阻尼和慣量，達到消除或者抑制震顫的目的。
[0005]從非藥理學(xué)的角度開展的震顫抑制措施的研究主要集中在震顫運動的“表象”——震顫信號。出于安全性和震顫抑制策略的實驗要求考慮，這里需要設(shè)計一種可以模擬人體手臂震顫運動的機器人裝置，用于模擬手臂震顫運動。設(shè)計這種裝置的目的和優(yōu)點在于:1)通過控制電機的轉(zhuǎn)速，可以調(diào)節(jié)假肢手臂的震顫幅度和頻率，模擬任意頻率的震顫運動；2)通過外加震顫抑制信號，可以改變假肢手臂的震顫幅度和頻率，以驗證震顫抑制措施的有效性和安全性，有效的解決由于安全和技術(shù)原因無法多次在真實的震顫患者身上驗證震顫策略的問題。
[0006]James Z, Zhang,在 “Detect1n of Involuntary Human Hand Mot1ns UsingEmpirical Mode Decomposit1n and Hilbert - Huang Transform” 文章中，設(shè)ii 種兩自由度的手臂震顫模擬平臺，主要有三部分組成:震顫模擬發(fā)生器，傳感器接口和數(shù)據(jù)采集裝置。震顫模擬發(fā)生器用于產(chǎn)生手臂震顫信號，并且用一個3軸加速度傳感器網(wǎng)絡(luò)。為了仿真手臂的震顫運動，這種裝配主要利用安裝在手臂旁邊的推式電磁鐵來模擬震顫運動。但是，由于設(shè)計上的缺陷，這種手臂震顫模擬平臺存在如下缺點:1)只能模仿兩個方向的手臂震顫運動，對震顫運動的分析工作不完善；2)由于僅安裝了加速度傳感器來采集運動信號，導(dǎo)致震顫運動信號的表現(xiàn)特征過于單一。
[0007]申請者在“基于外骨骼機器人技術(shù)的人體手臂震顫抑制關(guān)鍵技術(shù)研究” 一文中，設(shè)計了一種可以模擬人體震顫運動的機器人裝置。該平臺可以實現(xiàn)兩自由度的手臂運動，可以產(chǎn)生頻率1-20HZ的震顫運動。這種平臺的優(yōu)點在于:通過控制電機的轉(zhuǎn)速，可以調(diào)節(jié)假肢手臂的震顫幅度和頻率，模擬任意頻率的震顫運動。但是，由于機械裝置設(shè)置上的局限性，這個平臺只能模仿前臂上下運動和前臂的旋內(nèi)/外運動。這導(dǎo)致其對震顫運動的仿真不完善。
[0008]


【發(fā)明內(nèi)容】

針對現(xiàn)有“非藥理學(xué)”手臂震顫抑制策略的存在的問題和不足，本發(fā)明公開一種三自由度人體手臂震顫信號仿真機器人，在某一種震顫抑制策略進行人體實驗時，首先在該機器人上進行仿真實驗，既能驗證該方法的正確性，又能提高該方法的安全性，解決了進行震顫抑制策略驗證時需要多次采集震顫患者手臂震顫信號的問題，大大縮短了新方法的研究進程。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種三自由度人體手臂震顫運動仿真機器人，包括手臂震顫模擬系統(tǒng)、震顫激勵系統(tǒng)、震顫運動檢測系統(tǒng)、信號處理與控制系統(tǒng)；手臂震顫模擬系統(tǒng)包括工作臺、設(shè)于工作臺上的假肢手臂、前臂內(nèi)外扭轉(zhuǎn)機構(gòu)、前臂上下運動機構(gòu)和前臂旋轉(zhuǎn)機構(gòu)；震顫激勵系統(tǒng)包括用于實現(xiàn)前臂內(nèi)外扭轉(zhuǎn)運動的直流電機系統(tǒng)A，用于實現(xiàn)前臂上下運動的直流電機系統(tǒng)B和用于實現(xiàn)前臂旋轉(zhuǎn)運動的直流電機系統(tǒng)C;震顫運動檢測系統(tǒng)包括三維加速度傳感器和假肢手臂慣性傳感器單元，分別安裝在假肢的手指和上臂；信號處理與控制系統(tǒng)固定在工作臺上；所述假肢手臂通過剛性連接構(gòu)件與震顫激勵系統(tǒng)連接；所述直流電機系統(tǒng)A包括假肢手臂內(nèi)/外扭轉(zhuǎn)運動直流電機和假肢手臂內(nèi)/外扭轉(zhuǎn)運動直流電機減速系統(tǒng)；所述直流電機系統(tǒng)B包括假肢手臂上/下運動直流電機和假肢手臂上/下運動直流電機減速系統(tǒng)；所述直流電機系統(tǒng)C包括假肢手臂旋轉(zhuǎn)運動直流電機和假肢手臂旋轉(zhuǎn)運動直流電機減速系統(tǒng)。
[0010]所述剛性連接構(gòu)件包括剛性連接構(gòu)件A、剛性連接構(gòu)件B和剛性連接構(gòu)件C。
[0011]所述前臂內(nèi)外扭轉(zhuǎn)機構(gòu)包括剛性固定裝置C，曲柄滑塊機構(gòu)，剛性固定構(gòu)件A，剛性連接構(gòu)件D ;所述假肢手臂內(nèi)/外扭轉(zhuǎn)運動直流電機和假肢手臂內(nèi)/外扭轉(zhuǎn)運動直流電機減速系統(tǒng)通過剛性固定裝置C與工作臺固定，通過曲柄滑塊機構(gòu)，剛性連接構(gòu)件C和剛性連接構(gòu)件B與假肢手臂相連接；前臂上下運動機構(gòu)包括凸輪機構(gòu)，剛性固定裝置B和剛性連接裝置，所述假肢手臂上/下運動直流電機和假肢手臂上/下運動直流電機減速系統(tǒng)通過凸輪機構(gòu)和剛性連接構(gòu)件B與假肢手臂相連接，通過剛性固定裝置B與工作臺固定；前臂旋轉(zhuǎn)機構(gòu)包括用于與假肢連接的剛性連接構(gòu)件A，前臂旋轉(zhuǎn)機構(gòu)通過上、下鉸鏈和軸承座與工作臺連接在一起；所述假肢手臂旋轉(zhuǎn)運動直流電機和假肢手臂旋轉(zhuǎn)運動直流電機減速系統(tǒng)設(shè)于剛性連接構(gòu)件A中，電機的旋轉(zhuǎn)直接實現(xiàn)假肢手臂的旋轉(zhuǎn)運動。
[0012]所述的震顫運動檢測系統(tǒng)還包括假肢手臂內(nèi)/外扭轉(zhuǎn)運動直流電機編碼器、假肢手臂上/下運動直流電機編碼器和假肢手臂旋轉(zhuǎn)運動直流電機編碼器，分別用于測量假肢手臂內(nèi)/外扭轉(zhuǎn)運動電機、假肢手臂上/下運動電機和假肢手臂旋轉(zhuǎn)運動電機的實際轉(zhuǎn)動位置；
所述假肢手臂慣性傳感器單元，由傾角儀、陀螺儀、加速度傳感器組成，通過柔性連接裝置固定在假肢手臂處，用來獲取:a)手臂上下運動的位移、速度和線加速度；b)手臂旋內(nèi)/外運動的角位移、角速度和線加速度；C)手臂左右運動的位移、速度和線加速度；
所述三維加速度傳感器由假肢食指三維加速度傳感器、假肢中指三維加速度傳感器和假肢無名指三維加速度傳感器構(gòu)成，分別用于測量食指、中指和無名指的三維加速度值。
[0013]所述信號處理與控制系統(tǒng)包括信號處理系統(tǒng)、信號控制系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)以及PC級計算機控制系統(tǒng)。
[0014]所述信號處理系統(tǒng)是以TMS320VC5402為核心的16位DSP信號處理系統(tǒng)，通過GP10 口實時采集假肢指端三維加速度傳感器和假肢手臂慣性傳感器單元的信息；
所述信號控制系統(tǒng)是以Intel PXA270為核心的32位ARM10微處理器信號控制系統(tǒng)；所述執(zhí)行系統(tǒng)用于執(zhí)行信號控制系統(tǒng)產(chǎn)生的電機控制命令，電機控制利用S0FTING公司的CAN通信卡與FAULHABER MCBL 3003 S/C電機驅(qū)動器進行通信，分別控制前臂內(nèi)外扭轉(zhuǎn)運動直流電機、前臂上下運動直流電機和前臂旋轉(zhuǎn)運動直流電機；
所述PC級計算機控制系統(tǒng)，采用MATLAB/SMULINK以及DSPACE公司的DSPACE1104在線仿真控制系統(tǒng)，與信號控制系統(tǒng)進行通信。
[0015]所述的前臂內(nèi)外扭轉(zhuǎn)運動直流電機、前臂上下運動直流電機和前臂旋轉(zhuǎn)運動直流電機，均采用FAULHABER公司的2036U036B直流無刷電機；所述的前臂內(nèi)外扭轉(zhuǎn)運動直流電機減速系統(tǒng)，前臂上下運動直流電機減速系統(tǒng)，前臂旋轉(zhuǎn)運動直流電機減速系統(tǒng)均采用Harmonic 減速器 CSD-14-100-2UH。
[0016]本發(fā)明的有益效果:
其一，結(jié)構(gòu)簡單、仿真程度較高。本發(fā)明采用集成化結(jié)構(gòu)，機械裝置、驅(qū)動系統(tǒng)、控制器等都固定在一塊工作臺上，體積較小，便于移動；手臂震顫模擬系統(tǒng)可以實現(xiàn)假肢前臂內(nèi)/外扭轉(zhuǎn)運動，用于實現(xiàn)假肢前臂上/下運動，用于實現(xiàn)假肢前臂旋轉(zhuǎn)運動的，機構(gòu)“擬人化”程度高。
[0017]其二，震顫激勵系統(tǒng)采用體積小、質(zhì)量輕、性能優(yōu)良的FAULHABER公司的直流無刷電機2036U036B和新型減速裝置CSD-14-100-2UH，整體系統(tǒng)滿足“便攜式”要求。
[0018]其三，安裝的傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)多種信息的檢測，震顫運動檢測功能比較全面。震顫運動檢測系統(tǒng)既能檢測假肢手臂運動的位移、角位移、速度、角速度、線加速度和角加速度等信息，也能檢測食指、中指、無名指的三維加速度信息，為震顫運動信號的仿真提供了充分的信息。
[0019]其四，操作方面、安全可靠。三自由度人體手臂震顫信號仿真機器人操作簡單，只需要事先將采集到人體手臂震顫信號輸入到PC機中即可；另外，在機械結(jié)構(gòu)方面，采用的都是簡單成熟的機構(gòu)，安全可靠性較高；在控制上設(shè)計“安全預(yù)警系統(tǒng)”，確保震顫運動抑制的安全性和可靠性。
[0020]其五，設(shè)計思路新穎、應(yīng)用前景廣泛。三自由度人體手臂震顫信號仿真機器人提出利用機器人模仿人體手臂震顫的思路，可以推廣到人體其他部位震顫的研究，對“非藥理學(xué)”震顫抑制的研究具有一定的參考價值。
[0021]其六，本發(fā)明針對震顫抑制策略在研制和驗證階段在人體實驗一系列問題，提出一種利用機器人技術(shù)模仿人體手臂震顫策略，通過控制手臂震顫信號仿真機器人系統(tǒng)，使之產(chǎn)生與人體手臂震顫相仿的震顫運動，避免震顫抑制策略在未成熟的情況下直接作用到人體上。
[0022]

【專利附圖】

【附圖說明】
下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0023]圖1為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明的手臂震顫模擬系統(tǒng)示意圖；
圖2(a)為圖2中前臂內(nèi)外扭轉(zhuǎn)機構(gòu)11的放大結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2(b)為圖2中前臂上下運動機構(gòu)12的放大結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2 (c)為圖2中前臂旋轉(zhuǎn)機構(gòu)13的放大結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為本發(fā)明的震顫檢測系統(tǒng)示意圖；
圖4為本發(fā)明的信號處理與控制系統(tǒng)示意圖；
圖5為本發(fā)明的系統(tǒng)操作流程圖。
[0024]其中，000為工作平臺，100為手臂震顫模擬系統(tǒng)，101為假肢手臂，102為柔性連接裝置，103為剛性連接構(gòu)件A，104為上鉸鏈，105為下鉸鏈，106為軸承座，107為剛性固定裝置A，108為凸輪機構(gòu)，109為剛性固定裝置B，110為剛性固定裝置C，111為曲柄滑塊機構(gòu)，112為剛性固定構(gòu)件A，113為剛性連接構(gòu)件B，114為剛性連接構(gòu)件C，115為剛性連接構(gòu)件D，116為剛性連接裝置，200為震顫激勵系統(tǒng)，201為假肢手臂旋轉(zhuǎn)運動直流電機，202為假肢手臂旋轉(zhuǎn)運動直流電機減速系統(tǒng)，203為假肢手臂內(nèi)/外扭轉(zhuǎn)運動直流電機，204為假肢手臂內(nèi)/外扭轉(zhuǎn)運動直流電機減速系統(tǒng)，205為假肢手臂上/下運動直流電機，206為假肢手臂上/下運動直流電機減速系統(tǒng)。300為震顫運動檢測系統(tǒng)，301為假肢手臂慣性傳感器單元；302為假肢食指三維加速度傳感器，303為假肢中指三維加速度傳感器，304為假肢無名指三維加速度傳感器；305為假肢手臂旋轉(zhuǎn)運動直流電機編碼器，306為假肢手臂內(nèi)/外扭轉(zhuǎn)運動直流電機編碼器，307為假肢手臂上/下運動直流電機編碼器。400為信號處理與控制系統(tǒng)，401為信號處理系統(tǒng)，402為信號控制系統(tǒng)，403為執(zhí)行系統(tǒng)，404為PC級計算機控制系統(tǒng)，11為前臂內(nèi)外扭轉(zhuǎn)機構(gòu)，12為前臂上下運動機構(gòu)，13為前臂旋轉(zhuǎn)機構(gòu)。

【具體實施方式】
[0025]如圖1、圖2所示，本發(fā)明中的三自由度人體手臂震顫信號仿真機器人包括手臂震顫模擬系統(tǒng)100、震顫激勵系統(tǒng)200、震顫運動檢測系統(tǒng)300、信號處理與控制系統(tǒng)400。為了使仿真機器人的震顫更加的貼近實際人體手臂的震顫運動，采用假肢來模擬人體的手臂，具有較高的真實性。
[0026]手臂震顫模擬系統(tǒng)100:包括工作臺000、設(shè)于工作臺上的假肢手臂101、前臂內(nèi)外扭轉(zhuǎn)機構(gòu)11、前臂上下運動機構(gòu)12和前臂旋轉(zhuǎn)機構(gòu)13 ;假肢手臂101通過剛性連接構(gòu)件A103、剛性連接構(gòu)件B 113和剛性連接構(gòu)件C 114與震顫激勵系統(tǒng)200進行連接。
[0027]如圖2和圖2(a)所示，前臂內(nèi)外扭轉(zhuǎn)機構(gòu)11包括剛性固定裝置C 110，曲柄滑塊機構(gòu)111，剛性固定構(gòu)件A 112，剛性連接構(gòu)件D 115 ;前臂上/下運動的直流電機系統(tǒng)由假肢手臂上/下運動直流電機203和假肢手臂上/下運動直流電機減速系統(tǒng)204構(gòu)成，兩者通過剛性固定裝置C110與工作臺000固定，通過曲柄滑塊機構(gòu)111，剛性連接構(gòu)件D 115和剛性連接構(gòu)件B 113與假肢手臂101相連接，曲柄滑塊機構(gòu)111帶動假肢手臂實現(xiàn)其內(nèi)/外扭轉(zhuǎn)運動。
[0028]如圖2和圖2(b)所示，前臂上下運動機構(gòu)12包括凸輪機構(gòu)108，剛性固定裝置B109,剛性連接裝置116，假肢手臂上/下運動直流電機205和假肢手臂上/下運動直流電機減速系統(tǒng)206通過凸輪機構(gòu)108和剛性連接構(gòu)件C 114與假肢手臂101相連接，凸輪機構(gòu)108帶動假肢手臂101實現(xiàn)假肢前臂的上/下運動。
[0029]如圖2和圖2 (c)所示，前臂旋轉(zhuǎn)機構(gòu)13包括用于與假肢手臂連接的剛性連接構(gòu)件A 103，假肢手臂旋轉(zhuǎn)運動直流電機201和假肢手臂旋轉(zhuǎn)運動直流電機減速系統(tǒng)202設(shè)于剛性連接構(gòu)件A 103中，電機的旋轉(zhuǎn)直接實現(xiàn)假肢手臂的旋轉(zhuǎn)運動，前臂旋轉(zhuǎn)機構(gòu)13通過上、下鉸鏈104，105和軸承座106與工作臺連接在一起。
[0030]震顫激勵系統(tǒng)200包括用于實現(xiàn)前臂內(nèi)/外扭轉(zhuǎn)運動的直流電機系統(tǒng)A，用于實現(xiàn)前臂上/下運動的直流電機系統(tǒng)B，用于實現(xiàn)前臂旋轉(zhuǎn)運動的直流電機系統(tǒng)C。直流電機系統(tǒng)A包括假肢手臂內(nèi)/外扭轉(zhuǎn)運動直流電機203和假肢手臂內(nèi)/外扭轉(zhuǎn)運動直流電機減速系統(tǒng)204 ;直流電機系統(tǒng)B包括假肢手臂上/下運動直流電機205和假肢手臂上/下運動直流電機減速系統(tǒng)206 ;直流電機系統(tǒng)C包括假肢手臂旋轉(zhuǎn)運動直流電機201和假肢手臂旋轉(zhuǎn)運動直流電機減速系統(tǒng)202。
[0031]假肢手臂內(nèi)/外扭轉(zhuǎn)運動直流電機203、假肢手臂上/下運動直流電機205和假肢手臂旋轉(zhuǎn)運動直流電機201，均采用FAULHABER公司的2036U036B直流無刷電機；所述的假肢手臂內(nèi)/外扭轉(zhuǎn)運動直流電機減速系統(tǒng)204，假肢手臂上/下運動直流電機減速系統(tǒng)206和假肢手臂旋轉(zhuǎn)運動直流電機減速系統(tǒng)202均采用Harmonic減速器CSD-14-100-2UH。
[0032]如圖3所示，震顫運動檢測系統(tǒng)300由假肢手臂慣性傳感器單元301、三維加速度傳感器和直流電機編碼器構(gòu)成。直流電機編碼器包括假肢手臂內(nèi)/外扭轉(zhuǎn)運動直流電機編碼器306、假肢手臂上/下運動直流電機編碼器307和假肢手臂旋轉(zhuǎn)運動直流電機編碼器305，分別用于測量假肢手臂內(nèi)/外扭轉(zhuǎn)運動電機203、假肢手臂上/下運動電機205和假肢手臂旋轉(zhuǎn)運動電機201的實際轉(zhuǎn)動位置。
[0033]假肢手臂慣性傳感器單元301，由傾角儀、陀螺儀、加速度傳感器組成，通過柔性連接裝置102固定在假肢手臂處，用來獲取:a)手臂上下運動的位移、速度和線加速度；b)手臂旋內(nèi)/外運動的角位移、角速度和線加速度；c)手臂左右運動的位移、速度和線加速度；
三維加速度傳感器由假肢食指三維加速度傳感器302、假肢中指三維加速度傳感器303和假肢無名指三維加速度傳感器304構(gòu)成，分別用于測量食指、中指和無名指的三維加速度值。
[0034]圖4為本發(fā)明中的信號處理與控制系統(tǒng)400示意圖。信號處理與控制系統(tǒng)400包括信號處理系統(tǒng)401、信號控制系統(tǒng)402、執(zhí)行系統(tǒng)403以及PC級計算機控制系統(tǒng)404 ;信號處理系統(tǒng)401是以TMS320VC5402為核心的16位DSP信號處理系統(tǒng)，通過GP10 口實時采集各個傳感器以及各直流電機編碼器的信息；信號控制系統(tǒng)402是以Intel PXA270為核心的32位ARM10微處理器信號控制系統(tǒng)；執(zhí)行系統(tǒng)403用于執(zhí)行信號控制系統(tǒng)402產(chǎn)生的電機控制命令，電機控制利用S0FTING公司的CAN通信卡與FAULHABER MCBL 3003 S/C電機驅(qū)動器進行通信，分別控制假肢手臂內(nèi)/外扭轉(zhuǎn)運動直流電機203、假肢手臂上/下運動直流電機205和假肢手臂旋轉(zhuǎn)運動直流電機201 ； PC級計算機控制系統(tǒng)404，采用MATLAB/SIMULINK以及DSPACE公司的DSPACE1104在線仿真控制系統(tǒng)，與信號控制系統(tǒng)402進行通?目。
[0035]實施例: 將本發(fā)明公開的三自由度人體手臂震顫信號仿真機器人通過利用前臂內(nèi)外扭轉(zhuǎn)機構(gòu)11、前臂上下運動機構(gòu)12、前臂旋轉(zhuǎn)機構(gòu)13綜合的作用產(chǎn)生近似于人體手臂震顫信號，分別通過剛性連接裝置固定在假肢手臂，信號處理與控制系統(tǒng)400固定在工作臺000上。如圖5所示，在實際操作中，當(dāng)實驗人員采集到實際震顫患者的震顫運動信號并將其輸入到PC級計算機控制系統(tǒng)404，開啟機器人系統(tǒng)一步驟501 ;信號處理與控制系統(tǒng)400啟動一步驟502，系統(tǒng)自檢一步驟503 ;如果自檢發(fā)現(xiàn)異常一步驟504?，則電機下電一步驟515，停止工作一步驟516 ;如果自檢正常一步驟504 ?，則震顫運動檢測系統(tǒng)300啟動一步驟505，同時震顫激勵系統(tǒng)200啟動一步驟509，電機系統(tǒng)初始化一步驟510 ;如果停止指令一步驟512，則電機下電一步驟515，工作結(jié)束一步驟516 ;如果不停止指令，根據(jù)控制指令，控制電機改變速度和方向一步驟513，進而實現(xiàn)機器人假肢手臂內(nèi)外扭轉(zhuǎn)運動、手臂上下運動和手臂臂旋轉(zhuǎn)運動；機器人假肢手臂隨著這些運動不斷的改變自身的狀態(tài)一步驟514，安裝在假肢手部、手臂的多種傳感器系統(tǒng)獲取手臂運動信息一步驟505，步驟506 ;以TMS320VC5402為核心的16位DSP信號處理系統(tǒng)401獲取這些信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理與濾波，將高頻的震顫運動信號和低頻的正常運動信號分離開來，并分別將這兩信號傳遞到以Intel PXA270為核心的32位ARM10微處理器信號控制系統(tǒng)402中，實時存儲和獲取一步驟507 ;通過對機器人產(chǎn)生的震顫信號與人體手臂實際的震顫信號的比較，產(chǎn)生電機控制命令一步驟508，實時的調(diào)整各個電機的運行方式；執(zhí)行系統(tǒng)403用于執(zhí)行信號控制系統(tǒng)402所產(chǎn)生的電機控制命令一步驟511，通過SOFTING公司的CAN通信卡與FAULHABER MCBL 3003 S/C電機驅(qū)動器進行通信，分別控制假肢手臂內(nèi)外扭轉(zhuǎn)運動直流電機、手臂上下運動和手臂臂旋轉(zhuǎn)運動直流電機，使機器人各個關(guān)節(jié)產(chǎn)生運動直流電機一步驟512，進而改變假肢手臂的震顫特性，達到使機器人假肢產(chǎn)生與患者手臂震顫相同的目的；這樣相應(yīng)的震顫抑制策略就可以作用到該機器人上，達到驗證這種震顫抑制策略的有效性和安全性的目的。
[0036]上述僅為本發(fā)明的實施例而已，對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說,本發(fā)明有多種更改和變化。凡在本發(fā)明的發(fā)明思想和原則之內(nèi)，作出任何修改，等同替換，改進等，均應(yīng)包括在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種三自由度人體手臂震顫運動仿真機器人，其特征在于:包括手臂震顫模擬系統(tǒng)(100)、震顫激勵系統(tǒng)(200)、震顫運動檢測系統(tǒng)(300)、信號處理與控制系統(tǒng)(400);手臂震顫模擬系統(tǒng)(100 )包括工作臺(000 )、設(shè)于工作臺上的假肢手臂(101)、前臂內(nèi)外扭轉(zhuǎn)機構(gòu)(11)、前臂上下運動機構(gòu)(12)和前臂旋轉(zhuǎn)機構(gòu)(13);震顫激勵系統(tǒng)(200)包括用于實現(xiàn)前臂內(nèi)/外扭轉(zhuǎn)運動的直流電機系統(tǒng)A，用于實現(xiàn)前臂上/下運動的直流電機系統(tǒng)B和用于實現(xiàn)前臂旋轉(zhuǎn)運動的直流電機系統(tǒng)C ;震顫運動檢測系統(tǒng)(300)包括三維加速度傳感器和假肢手臂慣性傳感器單元(301)，分別安裝在假肢的手指和上臂；信號處理與控制系統(tǒng)(400)固定在工作臺(000)上；所述假肢手臂通過剛性連接構(gòu)件與震顫激勵系統(tǒng)(200)連接；所述直流電機系統(tǒng)A包括假肢手臂內(nèi)/外扭轉(zhuǎn)運動直流電機(203)和假肢手臂內(nèi)/外扭轉(zhuǎn)運動直流電機減速系統(tǒng)(204);所述直流電機系統(tǒng)B包括假肢手臂上/下運動直流電機(205)和假肢手臂上/下運動直流電機減速系統(tǒng)(206);所述直流電機系統(tǒng)C包括假肢手臂旋轉(zhuǎn)運動直流電機(201)和假肢手臂旋轉(zhuǎn)運動直流電機減速系統(tǒng)(202 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三自由度人體手臂震顫運動仿真機器人，其特征在于:所述剛性連接構(gòu)件包括剛性連接構(gòu)件A (103)、剛性連接構(gòu)件B (113)和剛性連接構(gòu)件C (114)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三自由度人體手臂震顫運動仿真機器人，其特征在于:所述前臂內(nèi)外扭轉(zhuǎn)機構(gòu)(11)包括剛性固定裝置C (110)，曲柄滑塊機構(gòu)(111)，剛性固定構(gòu)件A(112)，剛性連接構(gòu)件D (115);所述假肢手臂內(nèi)/外扭轉(zhuǎn)運動直流電機(203)和假肢手臂內(nèi)/外扭轉(zhuǎn)運動直流電機減速系統(tǒng)(204)通過剛性固定裝置C (110)與工作臺(000)固定，通過曲柄滑塊機構(gòu)(111)，剛性連接構(gòu)件C (115)和剛性連接構(gòu)件B (113)與假肢手臂(101)相連接；前臂上下運動機構(gòu)(12)包括凸輪機構(gòu)(108)，剛性固定裝置B (109)和剛性連接裝置(116);所述假肢手臂上/下運動直流電機(205)和假肢手臂上/下運動直流電機減速系統(tǒng)(206)通過凸輪機構(gòu)(108)和剛性連接構(gòu)件B (114)與假肢手臂(101)相連接，通過剛性固定裝置B (109)與工作臺(000)固定；前臂旋轉(zhuǎn)機構(gòu)(13)包括用于與假肢連接的剛性連接構(gòu)件A (103)，前臂旋轉(zhuǎn)機構(gòu)(13)通過上、下鉸鏈(104，105)和軸承座(106)與工作臺(000)連接在一起；所述假肢手臂旋轉(zhuǎn)運動直流電機(201)和假肢手臂旋轉(zhuǎn)運動直流電機減速系統(tǒng)(202)設(shè)于剛性連接構(gòu)件A (103)中，電機的旋轉(zhuǎn)直接實現(xiàn)假肢手臂的旋轉(zhuǎn)運動。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三自由度人體手臂震顫運動仿真機器人，其特征在于:所述的震顫運動檢測系統(tǒng)(300)還包括假肢手臂內(nèi)/外扭轉(zhuǎn)運動直流電機編碼器(306)、假肢手臂上/下運動直流電機編碼器(307)和假肢手臂旋轉(zhuǎn)運動直流電機編碼器(305)，分別用于測量假肢手臂內(nèi)/外扭轉(zhuǎn)運動電機(203)、假肢手臂上/下運動電機(205)和假肢手臂旋轉(zhuǎn)運動電機(201)的實際轉(zhuǎn)動位置； 所述假肢手臂慣性傳感器單元(301)，由傾角儀、陀螺儀、加速度傳感器組成，通過柔性連接裝置(102)固定在假肢手臂處，用來獲取:a)手臂上下運動的位移、速度和線加速度；b)手臂旋內(nèi)/外運動的角位移、角速度和線加速度；c)手臂左右運動的位移、速度和線加速度； 所述三維加速度傳感器由假肢食指三維加速度傳感器(302)、假肢中指三維加速度傳感器(303)和假肢無名指三維加速度傳感器(304)構(gòu)成，分別用于測量食指、中指和無名指的三維加速度值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三自由度人體手臂震顫運動仿真機器人，其特征在于:所述信號處理與控制系統(tǒng)(400)包括信號處理系統(tǒng)(401)、信號控制系統(tǒng)(402)、執(zhí)行系統(tǒng)(403)以及PC級計算機控制系統(tǒng)(404)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的三自由度人體手臂震顫運動仿真機器人，其特征在于:所述信號處理系統(tǒng)(401)是以TMS320VC5402為核心的16位DSP信號處理系統(tǒng)，通過GP1 口實時采集假肢指端三維加速度傳感器和假肢手臂慣性傳感器單元(301)的信息； 所述信號控制系統(tǒng)(402)是以Intel PXA270為核心的32位ARMlO微處理器信號控制系統(tǒng)； 所述執(zhí)行系統(tǒng)(403)用于執(zhí)行信號控制系統(tǒng)(402)產(chǎn)生的電機控制命令，電機控制利用S0FTING公司的CAN通信卡與FAULHABER MCBL 3003 S/C電機驅(qū)動器進行通信，分別控制前臂內(nèi)外扭轉(zhuǎn)運動直流電機(203)、前臂上下運動直流電機(205)和前臂旋轉(zhuǎn)運動直流電機(201)； 所述PC級計算機控制系統(tǒng)(404)，采用MATLAB/SMULINK以及DSPACE公司的DSPACE1104在線仿真控制系統(tǒng)，與信號控制系統(tǒng)(402)進行通信。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三自由度人體手臂震顫運動仿真機器人，其特征在于:所述的前臂內(nèi)外扭轉(zhuǎn)運動直流電機(203)、前臂上下運動直流電機(205)和前臂旋轉(zhuǎn)運動直流電機(201)，均采用FAULHABER公司的2036U036B直流無刷電機；所述的前臂內(nèi)外扭轉(zhuǎn)運動直流電機減速系統(tǒng)(204)，前臂上下運動直流電機減速系統(tǒng)(206)，前臂旋轉(zhuǎn)運動直流電機減速系統(tǒng)(202)均采用Harmonic減速器CSD-14-100-2UH。
【文檔編號】B25J11/00GK104440920SQ201410572307
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月23日
【發(fā)明者】孫建, 孫玉香, 常禮, 馬成學(xué), 劉媛, 汪步云, 曹會斌, 高理富, 宋全軍, 葛運建 申請人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院