一种基于力反馈的手腕康复外骨骼的闭环控制系统技术方案

本发明专利技术一种基于力反馈的手腕康复外骨骼的闭环控制系统，包括驱动力闭环控制模块、外骨骼和压力传感器；外骨骼包括直线电机和弹簧钢片；外骨骼，通过直线电机驱动弹簧钢片，再由弹簧钢片带动手腕运动；压力传感器，用于采集外骨骼的实际驱动力；驱动力闭环控制模块，用于设定控制周期和期待驱动力，在手腕运动过程中的每个控制周期采集一次实际驱动力；在当前控制周期中，比较期待驱动力和实际驱动力的大小，根据期待驱动力和实际驱动力计算得出直线电机行程增量并叠加至前一个控制周期的直线电机行程量上，作为当前控制周期的直线电机行程量进行输出。本发明专利技术能够实现力反馈，使外骨骼的驱动力达到指定的力值大小，减小手腕遭到二次伤害的风险。

Closed-loop control system for wrist Rehabilitation Exoskeleton based on force feedback

【技术实现步骤摘要】
一种基于力反馈的手腕康复外骨骼的闭环控制系统
本专利技术涉及康复训练设备，具体涉及一种基于力反馈的手腕康复外骨骼的闭环控制系统。
技术介绍
脑卒中，又称“中风”，近年来发病率持续攀升。脑卒中患者常存在肢体运动功能障碍，其中大约有80％的患者患有不同程度的手部运动功能障碍。手腕为手部的主要承力关节，为恢复手腕运动功能，需要对手腕进行持续的多自由度康复运动的物理治疗，由此增加了理疗成本及理疗师的劳动负担，为解决此问题，手腕外骨骼机器人应运而生。但是现有的大部分手腕外骨骼为开环控制方案，不包含力反馈，没有力反馈导致无法监测外骨骼对手腕的施力情况，增加二次伤害的风险。现有技术中虽然有力闭环控制的腕部康复机器人，但是属于末端牵引式刚性康复机器人，采用旋转电机驱动，旋转中心固定。刚性的康复机器人的缺点表现在体积、重量较大，难以运用于日常的康复治疗当中。最大的缺点是由于结构上的旋转中心固定，导致刚性康复机器人无法完全适应手腕的姿态变化(根据解剖学相关研究，手腕在运动过程中，手腕中心会发生5mm的移动)，增加二次伤害的风险。
技术实现思路
本专利技术目的在于针对现有手腕康复外骨骼的不足，提供了一种基于力本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于力反馈的手腕康复外骨骼的闭环控制系统，其特征在于，包括控制器、外骨骼和传感器组；传感器组包括压力传感器；控制器包括驱动力闭环控制模块；外骨骼包括直线电机和弹簧钢片；外骨骼，用于佩戴在患者手臂，通过直线电机驱动弹簧钢片，再由弹簧钢片带动手腕运动；压力传感器，用于采集外骨骼的实际驱动力并传输给控制器；驱动力闭环控制模块，用于设定控制周期和期待驱动力Fq，在手腕运动过程中的每个控制周期控制压力传感器采集一次实际驱动力Fs；在当前控制周期中，比较期待驱动力Fq和实际驱动力Fs的大小，根据期待驱动力Fq和实际驱动力Fs差值计算得出直线电机行程增量Δd并叠加至前一个控制周期的直线电机行程量上，...

【技术特征摘要】
1.一种基于力反馈的手腕康复外骨骼的闭环控制系统，其特征在于，包括控制器、外骨骼和传感器组；传感器组包括压力传感器；控制器包括驱动力闭环控制模块；外骨骼包括直线电机和弹簧钢片；外骨骼，用于佩戴在患者手臂，通过直线电机驱动弹簧钢片，再由弹簧钢片带动手腕运动；压力传感器，用于采集外骨骼的实际驱动力并传输给控制器；驱动力闭环控制模块，用于设定控制周期和期待驱动力Fq，在手腕运动过程中的每个控制周期控制压力传感器采集一次实际驱动力Fs；在当前控制周期中，比较期待驱动力Fq和实际驱动力Fs的大小，根据期待驱动力Fq和实际驱动力Fs差值计算得出直线电机行程增量Δd并叠加至前一个控制周期的直线电机行程量上，作为当前控制周期的直线电机行程量进行输出。2.根据权利要求1所述的基于力反馈的手腕康复外骨骼的闭环控制系统，其特征在于，若期待驱动力Fq比实际驱动力Fs大，则直线电机行程增量Δd为正值，若期待驱动力Fq比实际驱动力Fs小，则直线电机行程增量Δd为负值。3.根据权利要求1所述的基于力反馈的手腕康复外骨骼的闭环控制系统，其特征在于，传感器组还包括倾角传感器，控制器还包括角度闭环控制模块；倾角传感器，用于采集手腕的姿态角，作为实际角传输给控制器；角度闭环控制模块，用于设定期待角θq、角度增量Δθ和控制周期，在手腕运动过程的每个控制周期中控制倾角传感器采集一次实际角θs，在当前控制周期中，比较期待角θq与实际角θs的大小，若期待角θq比实际角θs大，则根据角度与直线电机行程量的函数关系计算出与角度增量Δθ相对应的直线电机行程增量并叠加至前一个控制周期的直线电机行程量上，作为当前控制周期的直线电机行程量进行输出，该直线电机行程增量方向与手腕运动的方向相同；若期待角θq比实际角θs小，则根据角度与直线电机行程量的函数关系输出与角度增量Δθ相对应的直线电机行程增量并叠加至前一个控制周期的直线电机行程量上，作为当前控制周期的直线电机行程量进行输出，该直线电机行程增量方向与手腕运动的方向相反。4.根据权利要求1所述的基于力反馈的手腕康复外骨骼的闭环控制系统，其特征在于，控制器还包括助力模块、主动模块和抗阻模块；助力模块，用于控制外骨骼提供驱动力，使患者手腕进行运动；主动模块，用于控制外骨骼跟随患者手腕的运动而运动；抗阻模块，用于控制外骨骼给手腕运动提供阻力。5.根据权利要求4所述的基于力反馈的手腕康复外骨骼的闭环控制系统，其特征在于，助力模块，用于设定控制周期和期待驱动力Fq，在手腕运动过程中的每个控制周期控制压力传感器采集一次实际驱动力Fs；在当前控制周期中，比较期待驱动力Fq和实际驱动力Fs的大小，分为两种情况：(1)实际驱动力Fs小于期待驱动力Fq，则确定期待驱动力导数Eq，获取前一控制周期的实际驱动力Fs0以及当前控制周期的实际驱动力Fs1，Fs1与Fs0的差值即为实际驱动力导数Es；比较期待驱动力导数Eq与实际驱动力导数Es，根据两者差值计算出直线电机行程增量Δd并叠加至前一个控制周期的直线电机行程量上，作为当前控制周期的直线电机行程量进行输出，该直线电机行程增量Δd为正值；(2)实际驱动力Fs等于或大于期待驱动力Fq，根据期待驱动力Fq和实际驱动力Fs差值计算得出直线电机行程增量Δd并叠加至前一个控制周期的直线电机行程量上...

【专利技术属性】
技术研发人员：李敏，贺雨欣，何博，陈佳洲，徐光华，谢俊，梁梓廷，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61