外骨骼机械手控制系统设计
下肢外骨骼康复行走机器人控制系统设计
1、高度智能化：通过机器学习算法的不断训练和优化，控制系统的控制精度 得到了显著提高。
2、良好的适应性：系统能够根据不同患者的实际情况自动调整参数，满足个 性化的康复需求。
3、高度安全性：在系统中引入了多重安全保护措施，确保了患者在使用过程 中的安全。实验验证结果表明，该控制系统在帮助患者进行站立、行走等运动 方面具有显著效果，能够有效改善患者的运动功能。然而，仍存在一些不足之 处，如对患者的身体状态和运动数据的实时监测尚不完善，部分传感器数据的 准确性和稳定性有待提高等。
方法
为了实现上述目标，本次演示采用以下步骤和方法进行控制系统设计：
1、需求分析：首先对下肢外骨骼康复行走机器人的应用场景、患者需求、现 有产品的优缺点等进行深入调研和分析。
2、系统架构设计：根据需求分析结果，设计下肢外骨骼康复行走机器人的整 体架构，包括机械结构、控制器、传感器、执行器等组成部分。
下肢外骨骼康复机器人控制系统的主要设计原理基于人体运动学和动力学原理， 同时结合了机械设计、电子控制、传感器技术等多学科知识。具体实现方法和 步骤如下：
1、硬件设备选择：控制系统硬件设备包括机械结构、电机、传感器、电路板 等。根据使用者的身体状况和康复需求，选择轻便、耐用且符合人体工程学原 理的硬件设备。
3、设备性能方面，下肢外骨骼行走康复机器人具备良好的稳定性和耐用性， 但仍然存在一些可以改进的空间，如提高设备的自适应性、降低能耗等方面的 研究。
讨论：
根据研究结果，我们对下肢外骨骼行走康复机器人的研究现状进行了讨论。虽 然该领域已经取得了一定的进展，但仍存在一些问题需要进一步解决。例如， 设备重量和穿戴舒适度是影响用户体验的关键因素之一，如何通过优化设计和 材料选择等方式减轻设备重量、提高穿戴舒适度是未来的研究方向之一。
外骨骼机器人的设计与控制
外骨骼机器人的设计与控制近年来，随着科技的不断进步，人们对机器人的需求和关注度不断提高。
外骨骼机器人作为机器人领域中的一种特殊形态，备受人们的青睐。
它不同于其他机器人，它具有让人们思考人与机器之间的交互方式的特殊性质。
本文将从设计和控制两个方面，介绍外骨骼机器人的相关知识，希望对您有所帮助。
一、外骨骼机器人的设计外骨骼机器人的设计分为机械设计和电子设计两部分。
机械设计需要考虑外骨骼机器人的形状和机械结构，以实现外骨骼机器人对人类身体的协同作用。
电子设计则是指外骨骼机器人的控制和传感系统。
1. 机械设计外骨骼机器人的结构可以分为上肢外骨骼机器人和下肢外骨骼机器人。
上肢外骨骼机器人通常由肩部上升支撑系统、肘关节伸屈支架及手臂末端掌握装置三部分组成。
下肢外骨骼机器人则通常由髋关节伸屈支架、膝关节伸屈支架及足踝支架三部分组成。
在机械设计中，需要考虑的问题之一是机器人的重量分配。
机器人重的部分需要设立支持系统来减轻负荷。
还需要考虑不同材料的应用，比如是否使用碳纤维等轻质材料。
2. 电子设计外骨骼机器人的电子设计主要包括外骨骼控制系统和外骨骼传感系统。
外骨骼控制系统的设计主要考虑机器人运动的控制问题。
在设计控制系统时，需要根据机器人的运动情况确定传感器位置和种类，以便传输控制信号。
此外，需要设计完成电子控制板和相应程序，以实现机器人的运动和动作控制。
外骨骼传感系统则主要用于捕捉人体的行为和状态，以提供反馈。
其中常用的传感器有EMG传感器、力传感器和惯性传感器等。
二、外骨骼机器人的控制外骨骼机器人的控制分为运动控制和力控制两个方面。
运动控制旨在让机器人的运动轨迹与人体的健康运动轨迹相符合，并对人体肌肉产生最小的影响力。
力控制任务则是实现响应人的力冲击（比如行走时脚的着地冲击）并避免机器人的运动对人体的危害。
1. 运动控制外骨骼机器人的运动控制通常有两种方式：一种是使用运动捕捉技术；另一种是使用IMU和惯导系统，利用离线跟踪算法实现力和位置的估计。
《下肢外骨骼康复机器人的人机交互控制系统设计与实现》
《下肢外骨骼康复机器人的人机交互控制系统设计与实现》一、引言随着医疗科技和机器人技术的飞速发展，下肢外骨骼康复机器人成为了康复医学领域的研究热点。
该类机器人通过模拟正常人体运动模式，协助患者进行康复训练，从而改善其行动能力。
其中，人机交互控制系统的设计与实现是影响康复效果和用户体验的关键因素。
本文将探讨下肢外骨骼康复机器人的人机交互控制系统的设计思路与实现方法。
二、系统设计目标1. 提供精确的力矩控制，以模拟人体自然运动；2. 增强患者与机器之间的交互体验，确保安全与舒适；3. 具备可定制的康复训练模式，满足不同患者的需求；4. 实时监测患者状态，并根据反馈调整康复策略。
三、系统设计原则1. 安全性：确保系统运行过程中患者安全无虞；2. 舒适性：系统应贴合人体工学设计，确保患者使用舒适；3. 智能化：通过算法优化，实现智能化的运动模式调整和康复策略制定；4. 可扩展性：系统设计应具备可扩展性，方便未来功能的增加和升级。
四、硬件结构设计硬件结构包括外骨骼机械结构、传感器系统和驱动系统。
外骨骼机械结构应与人体下肢紧密贴合，保证运动的一致性。
传感器系统包括力矩传感器、位置传感器和压力传感器等，用于实时监测患者的生理数据和机器的运动状态。
驱动系统则负责驱动外骨骼机械结构进行运动。
五、软件控制系统设计软件控制系统是整个系统的核心，包括控制算法、交互界面和数据处理模块。
控制算法负责根据传感器数据调整机器的运动模式，实现人机协同。
交互界面则提供友好的操作体验，方便患者和医护人员操作。
数据处理模块负责收集和分析患者数据，为康复策略的制定提供依据。
六、人机交互实现人机交互实现主要依赖于传感器数据的获取和处理、控制算法的优化以及交互界面的设计。
通过力矩传感器、位置传感器等获取患者的生理数据和机器的运动状态，经过数据处理模块的分析和处理，得出控制指令，通过控制算法调整机器的运动模式，实现人机协同。
同时，交互界面的设计应考虑患者的使用习惯和需求，提供友好的操作体验。
外骨骼机械手控制系统设计
（ＦＰＧＡ），ｓｅｎｓｏｒ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｈｕｍａｎ ｒｏｂｏｔ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｂａｓｅｄ
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利用互联网接收和显示来自患者便携式设备中的 康复数据，为主治医生了解患者的康复情况提供 一种有力的手段． １．２传感器测量系统设计 为了满足患者主动康复训练的要求，系统须 获取外骨骼机械手的运动状态和患者施加于外骨 骼机械手的接触力，以实现在位置控制环和力控 制环对患手的精确控制．手部康复机器人传感测 量系统包括力检测和关节位置检测两大部分，其 中布置在外骨骼机械手指尖的一对力传感器能够 精确测得手指指尖相对于外骨骼机械手的相互作 用力；布置在手臂上的编码器通过检测电机的运 动状态输出相位差为９０。的两相方波信号；布置 在手套上的柔性角度传感器作用相当于数据手 套，能够实时反馈患者手部运动状态，为控制系统 提供一个绝对的参考目标，为手部功能康复机器
ｔｏ
Ａｎｄｒｏｉｄ ｃｏｕｌｄ １ｅａｄ ｐａｔｉｅｎｔ
ｔａｋｅ ｉｎｉｔｉａｔｉＶｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｕｒｐｏｓｅ ｏｆ ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ．Ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ａｃｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｅ ａｎｄ
ｐａｓｓｉＶｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｅ ｗｅｒｅ ａｕｔｏ—ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｂｙ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｆｏｒｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐａｔｉｅｎｔ’ｓ ｈａｎｄ ａｎｄ ｅｘｏｓｋｅｌｅ—
外骨骼机器人控制系统的设计与实现
外骨骼机器人控制系统的设计与实现近年来，随着科技的飞速发展，机器人技术也不断得到升级和完善，其中外骨骼机器人备受关注。
外骨骼机器人可以帮助行动不便的人进行康复训练，也可以增加人类劳动力，提高生产效率。
为了使外骨骼机器人更加智能化、便捷化，控制系统的设计与实现显得尤为重要。
一、外骨骼机器人的构成外骨骼机器人主要由机械结构、传感器、执行机构、电源系统和控制系统五部分组成。
传感器包括惯性传感器、力传感器、视觉传感器等；执行机构包括电机、气缸、液压缸等；电源系统主要提供机械设备和电子设备的电力支持；控制系统是外骨骼机器人的“大脑”，通过对各种传感器数据和任务信息的处理，控制执行机构动作。
二、外骨骼机器人控制系统设计的流程1、确定机器人任务：外骨骼机器人有不同的应用场景，需要根据不同任务来设计控制系统。
2、选择传感器：根据任务需求，选择合适的传感器，进行数据采集工作。
3、确定控制算法：控制算法根据用户控制动作摆动情况、测量行进速度、测量技术数据及计算等信息，对控制系统进行处理。
4、设计控制器：根据所需功能和算法，进行控制器软硬件的设计。
5、测试并调整控制系统：通过外骨骼机器人进行测试和调整，优化控制系统。
三、外骨骼机器人控制系统实现的关键技术1、姿态控制技术：外骨骼机器人的姿态控制是针对机器人完整系统的变化而显示的动态响应控制。
2、力控制技术：外骨骼机器人的力控制技术关键是使机器人稳定性，在安全的前提下使力传感器检测到的数据控制附加部分力。
3、传感器融合技术：传感器融合技术是指将多个传感器数据融合进行处理，消除数据之间的影响，提高控制系统的精度和稳定性。
4、数据处理技术：数据处理技术是将传感器采集到的数据进行预处理，如去噪、降采样、滤波等，以提高数据质量，提高控制系统精度。
四、控制系统的实现方案外骨骼机器人的控制系统可以采用硬件控制和软件控制两种方案。
硬件控制的实现需要设计电子电路，软件控制的实现需要编写控制程序。
下肢外骨骼康复机器人控制系统软件设计
下肢外骨骼康复机器人控制系统软件设计下肢外骨骼康复机器人控制系统软件设计1. 引言下肢外骨骼康复机器人是一种应用于康复医学领域的新型辅助设备。
它通过机器人结构和控制系统，帮助患者进行下肢康复训练，恢复肌肉力量和运动功能。
在这样的机器人系统中，控制系统软件设计起着至关重要的作用。
2. 下肢外骨骼康复机器人的功能需求下肢外骨骼康复机器人的主要功能是辅助患者进行下肢运动。
因此，控制系统软件设计需要满足以下需求：a. 运动控制：能够根据医生或康复师的指令，控制机器人完成特定的下肢运动，如行走、上下楼梯等。
b. 力量支持：能够根据患者的需要，通过机器人的力量支持，帮助患者完成康复训练。
c. 感知调整：能够通过传感器监测患者的运动状态、肌肉力量等信息，并根据实时数据对机器人的运动进行调整。
d. 安全保障：能够确保患者在康复训练过程中的安全，如及时停止机器人运动、报警等。
3. 下肢外骨骼康复机器人控制系统软件设计流程下肢外骨骼康复机器人控制系统软件的设计流程主要包括以下几个步骤：a. 界面设计：设计机器人控制系统的用户界面，包括显示患者的运动状态、机器人的控制参数等。
b. 运动规划：根据患者的康复需求，设计机器人的运动规划算法，确定机器人的运动轨迹以及关节角度的控制。
c. 力量控制：设计机器人的力量控制算法，实现对机器人的力量输出的控制，以满足患者的康复需求。
d. 传感器数据处理：通过传感器获取患者的运动状态、肌肉力量等信息，并进行数据处理，提取有效指标。
e. 控制策略设计：设计机器人的控制策略，通过数据处理结果和运动规划算法，实现对机器人的运动控制。
f. 安全保障设计：设计机器人的安全保护策略，包括患者紧急停止机制、机器人异常报警等。
4. 下肢外骨骼康复机器人控制系统软件的关键技术下肢外骨骼康复机器人控制系统软件的设计中，涉及到以下关键技术：a. 运动规划算法：根据医生或康复师的指令，设计机器人的运动规划算法，确定机器人的动作轨迹和关节角度。
外骨骼康复机器人的设计与控制研究
外骨骼康复机器人的设计与控制研究随着人口老龄化的加剧以及各种意外事件的频繁发生，患者的康复需求越来越高。
传统的康复方法需要庞大的人力和物力，并且难以充分满足患者的需求。
因此，外骨骼康复机器人的设计与控制研究已经成为一种新的趋势。
外骨骼康复机器人是一种可以与人体直接接触的机器人，可以帮助人体的运动功能进行康复。
它主要由运动控制系统、力/传感系统和行走算法等组成。
其中，运动控制系统是整个系统最重要的组成部分，它通过电动驱动器和传感器实现对运动平衡的控制，并可自适应调整每个关节的运动角度和力矩，在实现康复的同时，避免了对运动组织的二次伤害。
外骨骼康复机器人的设计具有许多挑战性问题，包括结构设计、动力学建模与控制算法设计等。
其中，结构设计是影响机器人性能的一个重要因素。
机器人的外形、材料和布局应该能够充分考虑人体结构的特点，具有良好的适应性和舒适性。
同时，由于机器人所承受的载荷较大，因此结构必须具有足够的强度和刚度。
动力学建模是外骨骼康复机器人控制算法设计的基础。
它通过建立机器人与人体的动力学模型，以预测人体的运动状态和相应的力矩，从而实现良好的控制性能。
同时，由于人体的运动状态和运动模式具有相互影响的特性，因此在设计控制算法时必须考虑人体的运动状态和运动模式对机器人的影响。
控制算法设计是外骨骼康复机器人的关键技术之一。
它主要包括姿态控制、步态规划、力矩控制和反馈控制等。
其中，姿态控制主要是调整机器人的关节角度，以使人体运动回路达到平衡；步态规划主要是确定每一步的运动目标和运动轨迹，以实现平稳的步态；力矩控制主要控制机器人与人体之间的力矩转换，以实现合适的支撑和摆动；反馈控制主要是通过传感技术反馈机器人与人体之间的力量信息，以实现精准的运动控制。
外骨骼康复机器人的研究具有广阔的发展前景。
它可以帮助患者恢复行动能力，减轻护理人员的工作负担，同时也可以有效降低医疗成本。
然而，外骨骼康复机器人的开发仍面临许多挑战。
下肢外骨骼康复机器人控制系统设计与研究
下肢外骨骼康复机器人控制系统设计与研究一、本文概述随着科技的不断进步，医疗康复领域迎来了前所未有的发展机遇。
下肢外骨骼康复机器人作为一种辅助人体行走、促进康复的重要设备，其设计与研究具有重要的实践意义和理论价值。
本文旨在探讨下肢外骨骼康复机器人的控制系统设计，包括硬件构成、软件编程以及运动控制策略等方面，以期为提高康复效果、促进患者康复进程做出贡献。
本文首先介绍了下肢外骨骼康复机器人的研究背景和发展现状，阐述了其在医疗康复领域的应用前景。
随后，详细分析了下肢外骨骼康复机器人控制系统的设计要求和技术难点，包括机械结构设计、传感器选型与配置、运动学建模与控制算法设计等方面。
在此基础上，本文提出了一种基于人机交互的下肢外骨骼康复机器人控制策略，以实现精准的运动轨迹控制和个性化康复治疗。
接下来，文章重点阐述了下肢外骨骼康复机器人控制系统的设计与实现过程。
介绍了控制系统的硬件构成，包括主控制器、驱动器、传感器等关键部件的选型与配置。
然后，详细描述了控制系统的软件编程，包括运动学建模、控制算法实现、人机交互界面开发等方面。
通过实验验证和临床应用测试，评估了所设计的控制系统的性能和效果。
本文的研究成果不仅为下肢外骨骼康复机器人的设计与研究提供了有益的参考，也为医疗康复领域的技术创新和发展提供了新的思路和方法。
未来，我们将继续深入研究下肢外骨骼康复机器人的控制策略和技术应用，以期为患者提供更加高效、个性化的康复治疗方案。
二、下肢外骨骼康复机器人基础理论下肢外骨骼康复机器人作为一种辅助人体下肢运动的医疗设备，其基础理论涉及多个学科领域，包括生物力学、机器人技术、控制理论以及人机交互等。
生物力学基础：生物力学是研究生物体在力学作用下的反应和适应的科学。
在下肢外骨骼康复机器人的设计中，必须充分理解人体下肢的生物力学特性，包括骨骼结构、肌肉力量分布、关节运动范围等。
这些特性为机器人设计提供了重要的参考依据，确保了机器人在辅助人体运动时能够符合生物力学规律，避免对人体造成不必要的损伤。
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Ａｂｓｔｒａｃｔ
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ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｓｉｓｔｅｄ ｗｉｔｈ ｓｉｎｇｌｅ—ｃｈｉｐ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ
脑卒中（中风）术后会凶中枢神经受损导致患 者肢体运动功能丧失［１‘２］．手部运动障碍是脑卒中 后遗症的主要表现之一［３］．据不完全统计，在我国 由各种原因导致的手部运动功能障碍的患者有三
同时也使患者承受了沉重的财政负担．因此手部 康复机器人已经成为现代康复医学和康复工程迫 切需要解决的热点问题之一ｎ。Ｉ．目前，已有不少 高校及研究机构研制出了能够辅助患者手指进行 弯曲及伸展训练的手部康复机器人［７。９］，但其中大 部分机器人由于体积及控制方式的原因，无法为
切换控制方法，利用Ａｎｄｒｏｉｄ便携设备中的虚拟
环境诱导患者主动地进行康复训练，以提高患者 的康复效果．
机交互软件运行在手机、平板电脑等便携式设备
中，可以使患者摆脱康复环境的束缚，以实现更加 便捷、人性化的康复体验．基于ＰＣ的客户端可以
１控制系统设计
手部康复机器人控制系统由硬件系统、传感 器测量系统及基于Ａｎｄｒｏｉｄ系统的人机交互软件 组成，如图１所示．外骨骼机械手穿戴在患者手 部，并通过力传感器，角度传感器检测患者手部的 运动状态，其中力传感器通过实时检测患者施加 于外骨骼机械手末端的力以驱动机械手按照患者 的意愿进行康复运动，实现对患者的主动康复训 练；角度传感器将采集到的机械手位移通过 ＡＶＡＬＯＮ总线发送到ＵＣ／０Ｓ＾ＩＩ系统中，为外骨 骼机械手的控制提供状态参数．系统在控制外骨 骼机械手运动的同时将外骨骼各关节位移信息通 过蓝牙发送到Ａｎｄｒｏｉｄ系统虚拟环境中，以驱动
角度为口，，由一个电机单独驱动，关节２和关节３ 的角度分别为如和日。，由另一个电机驱动，这两 个关节在电机线轮处耦合，因此钢丝绳的张力联 合作用在电机的线轮之上。外骨骼机械手单手指
结构简图如图４所示，由于关节２和关节３耦合，
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；Ｉ制模块Ｊ｜析模块Ｉ：
！数据访问层 ｓＱＬ沁数据库
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ＴＰ２４２
文献标志码
Ａ
文章编号
１６７１—４５１２（２０１３）Ｓ卜０３２０—０４
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ
Ｃ＾ｅ靠Ｈｏ以ｇ硼ｅｉ
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（Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ，Ｈａｒｂｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５０００ｌ，Ｃｈｉｎａ）
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Ａｎｄｒｏｉｄ ｃｏｕｌｄ １ｅａｄ ｐａｔｉｅｎｔ
ｔａｋｅ ｉｎｉｔｉａｔｉＶｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｕｒｐｏｓｅ ｏｆ ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ．Ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ａｃｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｅ ａｎｄ
ｐａｓｓｉＶｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｅ ｗｅｒｅ ａｕｔｏ—ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｂｙ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｆｏｒｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐａｔｉｅｎｔ’ｓ ｈａｎｄ ａｎｄ ｅｘｏｓｋｅｌｅ—
摘要针对脑卒中患者康复需求，研制了一种外骨骼机械手控制系统．该控制系统由现场可编程门阵列 （ＦＰＧＡ）单芯片系统、传感器采集系统以及基于Ａｎｄｒｏｉｄ系统的人机交互软件组成．基于ＦＰＧＡ单芯片系统， 通过力传感器、角度传感器和编码器实时采集外骨骼机械手和患者手指的运动状态信息，并通过总线与控制 系统进行通信；采用Ａｎｄｒｏｉｄ系统人机交互软件能够诱导患者主动进行康复治疗；该控制系统可通过检测患 者手指与外骨骼机械手的接触力实现自主切换主动或被动控制策略．实验表明该系统运行稳定、与人机交互 软件间的通信可靠，能够满足患者的康复需求． 关键词外骨骼机械手；控制系统；病人康复；人机交互；现场可编程门阵列；Ａｎｄｒｏｉｄ 中图分类号
７
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ｃｏｕｌｄ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅ ｗｉｔｈ
ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｖｉａ ｂｕｓ．Ｔｈｅ ｈｕｍａｎ ｒｏｂｏｔ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｂａｓｅｄ
第４ｌ卷 ２０１３年
增刊Ｉ １０月 Ｊ．
华中科技大学学报（自然科学版）
Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖ．ｏｆ Ｓｃｉ．
Ｖ０１．４１ Ｓｕｐ。Ｉ ｏｃｔ．
２０１３
＆Ｔｅｃｈ．
（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ）
外骨骼机械手控制系统设计
陈宏伟 张福海 付宜利 王翔宇
（哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室，黑龙江哈尔滨１５０００１）
（３）
／Ｖ、≮扩蠢磊＿
利用互联网接收和显示来自患者便携式设备中的 康复数据，为主治医生了解患者的康复情况提供 一种有力的手段． １．２传感器测量系统设计 为了满足患者主动康复训练的要求，系统须 获取外骨骼机械手的运动状态和患者施加于外骨 骼机械手的接触力，以实现在位置控制环和力控 制环对患手的精确控制．手部康复机器人传感测 量系统包括力检测和关节位置检测两大部分，其 中布置在外骨骼机械手指尖的一对力传感器能够 精确测得手指指尖相对于外骨骼机械手的相互作 用力；布置在手臂上的编码器通过检测电机的运 动状态输出相位差为９０。的两相方波信号；布置 在手套上的柔性角度传感器作用相当于数据手 套，能够实时反馈患者手部运动状态，为控制系统 提供一个绝对的参考目标，为手部功能康复机器
寸１而耐：
Ｅ面磊丽口：
角度传感器 编码器 直流电机 电机驱动
黑互
人运动控制系统中，控制外骨骼机械手按照患者 的意愿运动．与此同时，人机交互界面通过 ＲＦＣＯＭＭ通道实时接收外骨骼机械手运动控制 系统发送的各个运动关节位移，存储在由ＳＱＬｉｔｅ 建立的数据库中．患者可以通过运动的图表分析 和虚拟环境直观地了解手部的运动康复情况，主 动参与到自己的康复治疗中来．同时利用Ａｎ— ｄｒｏｉｄ便携设备优异的网络通信功能．人机交互界 面可以将患者的康复数据发送给主治医生，让医
式中：ｊ为关节下标；ｒ，为半圆形齿轮的节圆半
径；已，为反向齿轮的节圆半径；乡ｆ为关节线轮的
半径；ｆ，为关节力矩；Ｅ为作用在线轮上钢丝绳 的张力． 式（１）表示钢丝绳的张力与关节力矩之间成 线性关系，与关节角位移无关，使用钢丝绳的驱动 方式有利于关节力矩的控制效果．由于外骨骼机
械手是由三条钢丝绳进行驱动的，其中关节１的
千万，全球更是数以亿计．传统康复训练的高强
度、高重复性特点为理疗师带来极大的劳动强度
收稿日期
２０１３一０７—１０．
作者简介
基金项目
陈宏伟（１９９０一），男，硕士研究生；张福海（通信作者），讲师，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｆｈｈｉｔ＠ｈｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ． 国家自然科学基金资助项目（６１２０３３４７）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（ＨＩＴ．ＮｓＲＩＦ． ２０１３０４７）；中国博士后科学基金资助项目（２０１ ３Ｍ５３１０２３）．
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ｒｏｂｏｔ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｓｔａｂｌｅ，ｗｈｉｃｈ
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ｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｐａｔｉｅｎｔｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｍａｎ—ｍａｃｈｉｎｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｒｅｌｉａｂｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ ｒｏｂｏｔ；ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ；ｐａｔｉｅｎｔ ｒｅｈａｂ订ｉｔａｔｉｏｎ；ｈｕｍａｎ ｒｏｂｏｔ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ；ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙｓ（ＦＰＧＡ）；Ａｎｄｒｏｉｄ
（ＦＰＧＡ），ｓｅｎｓｏｒ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｈｕｍａｎ ｒｏｂｏｔ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｂａｓｅｄ
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图１控制系统结构图
１．１硬件系统设计 稳定可靠的硬件系统可以保证数据的高效传 输和对系统的实时控制．基于ＦＰＧＡ的单芯片系 统，ＮｉｏｓⅡ软核通过ＡＶＡＩ，０Ｎ高速总线与底层 设备进行通信，拥有ｌｊ ４０８个逻辑单元的ＦＰＧＡ
华中科技大学学报（自然科学版）
第４１卷
生可以同步地掌握患者的康复情况，实现医患之 间的无缝沟通． 人机交互界面整体框图如图２所示，其主要 由用户交互视图层、数据访问层、虚拟现实康复训 练层和个性化康复层四个部分组成．用户交互视 图层为患者提供人性化的交互体验；数据访问层 利用通信模块实现与运动控制系统的数据交换， 为患者提供实时数据分析；虚拟现实康复训练层 通过虚拟环境中的弹钢琴动作诱导患者进行康复 训练，个性化康复层利用互联网为患者提供与主 治医生间的机械手控制系统设计
患者提供便携、人性化的康复体验．为此，哈尔滨 工业大学医工学实验室研制了一种外骨骼机械手 系统‘１
０｜．
和４ Ｍｂｉｔ的ＲＡＭ的硬件系统可以满足在Ｎｉｏｓ Ⅱ软核中嵌入ＵＣ／０孓Ⅱ操作系统，实现外骨骼 机械手实时采集传感器数据和处理手指的运动参 数的同时，满足集成度高、低功耗和便携性的设计 要求．每根手指电路由一个集成两个Ｈ桥的 Ｌ２９８Ｎ电机驱动芯片和四通道的１２ ｂｉｔ模数转 换器（Ａ／Ｄ）组成，用于实现对电机的驱动和力矩、 关节位置信号的采样；编码器信号通过高速光耦 经四倍频及判向电路发送到软核中，以获取电机 的运动参数；蓝牙接口可以与人机交互软件进行 通信，双向传输参数．基于Ａｎｄｒｏｉｄ ４．ｏ系统的人