基于冗余控制的多自由度可穿戴外骨骼手功能康复机器人.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN114147741A(43)申请公布日2022.03.08(21)申请号202111512186.5B25J9/16(2006.01)(22)申请日2021.12.07B25J13/08(2006.01)B25J15/00(2006.01)(71)申请人山东大学B25J15/10(2006.01)地址250061山东省济南市历下区经十路17923号(72)发明人李可李郑振魏娜李光林田新诚李贻斌宋锐侯莹何文晶(74)专利代理机构济南圣达知识产权代理有限公司37221代理人闫圣娟(51)Int.Cl.B25J11/00(2006.01)B25J9/00(2006.01)B25J9/08(2006.01)权利要求书2页说明书7页附图2页(54)发明名称基于冗余控制的多自由度可穿戴外骨骼手功能康复机器人(57)摘要本发明公开一种基于冗余控制的多自由度可穿戴外骨骼手功能康复机器人，包括：掌背平台、以及设于掌背平台上的手指连杆机构、舵机、压力传感器和控制模块；所述手指连杆机构包括手指平台和多自由度连杆，所述多自由度连杆具有多个关节，且每个关节由单独舵机驱动；所述手指平台上设有压力传感器，用于检测抓握过程中的指尖力；所述控制模块根据目标指尖位置模拟指尖运动轨迹，根据指尖运动轨迹控制舵机的扭矩，以驱动舵机转动；并根据实际指尖力和目标指尖力的差值，以及实际指尖位置和目标指尖位置的差值，控制调整舵机的扭矩和转动速度。采用冗余控制根据指尖位置精确估计运动轨迹，采用力反馈控制对指尖力进行调节，提高抓握过程的稳定性。CN114147741ACN114147741A权利要求书1/2页1.基于冗余控制的多自由度可穿戴外骨骼手功能康复机器人，其特征在于，包括：掌背平台、以及设于掌背平台上的手指连杆机构、舵机、压力传感器和控制模块；所述手指连杆机构包括手指平台和多自由度连杆，所述多自由度连杆具有多个关节，且每个关节由单独舵机驱动；所述手指平台上设有压力传感器，用于检测抓握过程中的指尖力；所述控制模块根据目标指尖位置规划指尖运动轨迹，根据指尖运动轨迹控制舵机的扭矩，以驱动舵机转动；并根据实际指尖力和目标指尖力的差值，以及实际指尖位置和目标指尖位置的差值，控制调整舵机的扭矩和转动速度。2.如权利要求1所述的基于冗余控制的多自由度可穿戴外骨骼手功能康复机器人，其特征在于，所述多自由度连杆包括手指连杆底部、第一指间连杆、第二指间连杆、第三指间连杆和指尖连杆；所述手指连杆底部通过锥齿轮与舵机连接，以使手指连杆机构产生掌指关节的弯曲伸展；所述第一指间连杆套接在手指连杆底部上，以产生水平面内的旋转自由度，实现手指连杆机构的打开与并拢；所述第二指间连杆套接在第一指间连杆上，以实现近端指间关节的弯曲伸展；所述第三指间连杆扣接在第二指间连杆上，在第三指间连杆和第二指间连杆之间实现水平面内的旋转自由度；所述指尖连杆套接在第三指间连杆上，以实现冠状面的弯曲。3.如权利要求2所述的基于冗余控制的多自由度可穿戴外骨骼手功能康复机器人，其特征在于，所述手指平台套接在指尖连杆上，以实现远端指间关节的弯曲。4.如权利要求1所述的基于冗余控制的多自由度可穿戴外骨骼手功能康复机器人，其特征在于，所述控制模块在规划指尖运动轨迹时，引入关节运动阻抗，通过阻尼系数对多自由度连杆的运动进行约束，以满足各关节的运动极限以及关节运动速度。5.如权利要求1所述的基于冗余控制的多自由度可穿戴外骨骼手功能康复机器人，其特征在于，所述手指连杆机构包括外骨骼小指、外骨骼无名指、外骨骼中指、外骨骼食指和外骨骼拇指，均在掌背平台的对应位置处依次布设，且由单独的舵机进行控制。6.如权利要求1所述的基于冗余控制的多自由度可穿戴外骨骼手功能康复机器人，其特征在于，所述手指平台上固定有圆环套，通过圆环套使手指平台固定在手指上。7.基于权利要求1‑6任一项所述的多自由度可穿戴外骨骼手功能康复机器人的控制方法，其特征在于，包括：根据目标指尖位置规划指尖运动轨迹，根据指尖运动轨迹控制舵机的扭矩，以驱动舵机转动；获取抓握过程中的实际指尖力和实际指尖位置，根据实际指尖力和目标指尖力的差值，以及实际指尖位置和目标指尖位置的差值，控制调整舵机的扭矩和转动速度。8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，在规划指尖运动轨迹时，引入关节运动阻抗，通过阻尼系数对多自由度连杆的运动进行约束，以满足各关节的运动极限以及关节运动速度。9.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述目标指尖位置和目标指尖力为在抓2CN114147741A权利要求书2/2页握过程中确保指尖完全贴合抓握物体的指尖位置以及完全抓握时的指尖力。10.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，根据实际指尖力和