基于光波導的傳感驅(qū)動一體化軟體康復手

劉 楊，張道輝，楊青銘，趙新剛

（1.沈陽化工大學 信息工程學院，沈陽 110142；2.中國科學院 沈陽自動化研究所 機器人學國家重點實驗室，沈陽 110016；3.東北大學 信息科學與工程學院，沈陽 110819）

近幾年，以軟體生物為參考的軟體機器人技術迅速發(fā)展，基于智能軟材料研發(fā)高自由度的軟體機器人受到廣泛關注。和傳統(tǒng)剛性機器人相比，軟體機器人具備柔軟、親和性好、仿生程度高等特點。軟體手部康復機器人是穿戴式機器人新的研究方向。它廣泛應用在人機交互、康復醫(yī)學等領域[1-2]。機器人輔助治療對中風患者運動功能的恢復大有裨益。

康復手的驅(qū)動方式包括電驅(qū)動、氣驅(qū)動等，憑借其不同的驅(qū)動原理可以實現(xiàn)不同的功能。剛性康復手采用電機驅(qū)動的方式，它的優(yōu)點是自帶傳感反饋的電機能夠?qū)崿F(xiàn)主動康復的功能，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)動康復手可訓練動作較少，有的使用商業(yè)傳感器，甚至一些康復手沒有傳感器，市場上現(xiàn)有的軟體康復手，如格美公司的軟體康復手沒有傳感技術，無法實現(xiàn)控制手指到達精確位置[3-4]。使用商業(yè)傳感器的軟體康復手普遍存在傳感器靈敏度不高的問題，導致手指反饋的彎曲角度不準確，從而造成康復效果不佳。文獻[5]結(jié)合Flex sensor2.2 商業(yè)傳感器設計的基于氣驅(qū)動柔性手部功能康復機器人，存在小角度彎曲時傳感器角度變化不明顯且軟體手指的實際彎曲角度與預期目標值存在較大的誤差的問題；文獻[6]設計的基于纖維增強的軟體康復手套可以產(chǎn)生彎曲、扭轉(zhuǎn)和伸展的運動形式，但它的魯棒性差，驅(qū)動器疲勞壽命短；文獻[7-8]分別研制了一款由氣動肌肉和扭簧雙驅(qū)動的可以實現(xiàn)雙向移動的手背式外骨骼機器人和一款氣驅(qū)的軟體材料的可穿戴式手部康復外骨骼機器人。前者四指采用一個驅(qū)動器，所以不能實現(xiàn)DIP 關節(jié)的屈曲、伸展和單指運動，后者可以實現(xiàn)手部五指的屈曲、伸展，但是每個執(zhí)行器只有單自由度與手指的耦合度欠佳，沒有反饋機制[9-10]。

針對上述問題，本文提出了基于光波導的傳感驅(qū)動一體化軟體康復手控制系統(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，對紋理和硬度的識別效果好，并且系統(tǒng)通過反饋信號能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)反饋控制。之后將軟體驅(qū)動單元與柔性傳感進行一體化設計與制造，開發(fā)出驅(qū)動傳感一體化的軟體康復手。最后，通過單指訓練、對指訓練和抓握訓練等多種輔助訓練實驗，驗證了軟體手部康復機器人控制系統(tǒng)的有效性和實用性。

1 傳感驅(qū)動一體化的軟體康復手

柔性傳感技術與軟體驅(qū)動結(jié)構(gòu)相結(jié)合，開發(fā)具有傳感驅(qū)動一體化驅(qū)動單元的軟體康復手。它防止對患者造成二次傷害。軟體手部康復機器人對恢復中風患者的手部康復具有深刻意義。

1.1 柔性光纖傳感器的設計與性能測試

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速度快、干擾小的特點，確保樹莓派3b+上的ADC 引腳不會因電壓過高而燒壞。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，在壓力不同時輸出的信號足夠穩(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)動一體化設計

為保障人機交互的安全性，本文驅(qū)動器在結(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的數(shù)量實現(xiàn)精確控制。如圖2 所示，驅(qū)動器通過順應性地嵌入傳感，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)動一體化結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)能實現(xiàn)對每根手指進行獨立的速度和角度調(diào)節(jié)，使得整套系統(tǒng)更加靈活和多變，滿足不同損傷等級患者的康復需求。

圖2 軟體驅(qū)動一體化結(jié)構(gòu)實物圖Fig.2 Physical diagram of integrated structure of soft drive

1.3 軟體康復手套的設計與制作

本文設計研制的軟體康復手機器人的整體思路是將5 個軟體驅(qū)動器集成到織物手套的背側(cè)，在經(jīng)過加壓后帶動驅(qū)動器的屈曲和拉伸，進而帶動人手指的運動。

驅(qū)動器采用一體化多腔體手指設計，Solid-Works 計算機建模軟件對預設物體形狀進行3D 建模，由于人手的五指長度有所差別，因此設計了2種長度尺寸壁厚均為3 mm 的軟體驅(qū)動器，大、小拇指適用于92 mm 的驅(qū)動器，其余三指適用于133 mm的驅(qū)動器，經(jīng)實驗驗證軟體驅(qū)動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。設計制作好的軟體康復手套如圖3 所示，保證設計出與手部貼合度高的且彎曲靈活性良好的軟體康復手。

圖3 軟體康復手套實物圖Fig.3 Soft rehabilitation gloves physical picture

2 軟體康復手控制系統(tǒng)設計

軟體康復手的變形結(jié)構(gòu)采取氣體驅(qū)動的方式，通過樹莓派3b+控制板控制相關設備，包括控制氣壓的輸入與反饋，從而實現(xiàn)軟體康復手的各種運動形式；控制氣泵和高速開關閥改變流體流量大小，來實現(xiàn)軟體康復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。軟體康復手的硬件系統(tǒng)實物圖如圖4 所示。

圖4 硬件系統(tǒng)實物圖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，將信號通過PWM-V轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后可實現(xiàn)對氣泵的啟動、調(diào)速和控制高速開關閥的通斷電時間。而繼電器控制高速開關閥的通斷，高速開關閥采用的是兩位三通換向閥，具有使用壽命長、可長時間連續(xù)通電、耐沖擊、耐振動等優(yōu)點。使用自制的柔性光纖傳感器可以實現(xiàn)閉環(huán)反饋控制回路。本文氣驅(qū)動軟體康復手的優(yōu)勢是將軟體驅(qū)動器固定在商用手套上，患手與康復手套緊密貼合，通過控制流體的流量大小可以實現(xiàn)較為流暢和大角度的彎曲動作，帶動人手完成類似抓握、伸掌、捏指等手勢，在實際的操作過程中，舒適度較高，能夠展現(xiàn)出較好的康復訓練效果，擁有較大的使用價值和發(fā)展空間。整個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，而氣泵和高速開關閥需要DAC 擴展模塊提供驅(qū)動，柔性光纖傳感器反饋的模擬信號也需要DAC 擴展模塊實現(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 軟體康復手控制系統(tǒng)實驗測試

本文設計了軟體康復手控制系統(tǒng)實驗測試。包括柔性光纖傳感器標定試驗，軟體康復手單指、多指和抓握等靈活多樣的康復訓練實驗，以及硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的實驗測試，保證軟體康復手系統(tǒng)所有功能模塊的實用性、安全性和可靠性。

3.1 基于柔性光纖傳感標定實驗

因柔性傳感器需要嵌入在驅(qū)動器內(nèi)部，且要帶動柔性手套進行運動，而驅(qū)動器彎曲角度受壓力影響較大，輸入相同壓力下，單獨標定驅(qū)動器和粘在手套上帶動手指運動標定的彎曲角度相差較大，考慮其準確性，所以本文采用戴上手套進行標定的方法。如圖6 所示，依次為五指不同角度時傳感器對應的電壓值。橫坐標代表柔性光纖傳感器的彎曲角度，縱坐標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)關節(jié)運動各異，所以輸出電壓和彎曲角度也不盡相同，對柔性光纖傳感進行標定目的是為了確保軟體康復手能夠?qū)崿F(xiàn)精確地控制。

圖6 五指不同角度傳感器對應的電壓值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練實驗

根據(jù)日常生活中人手的運動習慣，設計了一些特定的訓練模式，通過控制氣動變化曲線并規(guī)劃手指的運動順序，從而產(chǎn)生這些不同的運動，如圖7所示，依次為握拳、反向拉伸、對指拿捏的手勢動作。不同手勢動作對應的彎曲角度變化曲線如圖8所示，動作1 代表握拳、動作2 代表張手、動作3 代表對指拿捏。如圖9 所示，在物體抓握實驗中，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。

圖7 不同手勢動作圖Fig.7 Diagram of different hand gestures

圖8 不同手勢動作對應的彎曲角度變化Fig.8 Variation of bending angles for different hand movements

圖9 抓握實驗訓練圖Fig.9 Experimental grip training chart

結(jié)合增量PID 控制算法分別對5 根手指進行了單獨的反饋控制，實現(xiàn)了對手指彎曲角度更加精準的定位。壓力是手指氣腔內(nèi)實時的壓力變化，經(jīng)實驗測試軟體康復手指能承受的最高壓力值為1.5 bar，PID 代表軟體康復手指的PID 控制調(diào)節(jié)曲線，角度代表的是目標角度下的實際彎曲角度。同時以食指為例，設定期望目標值從10°開始每間隔10°增加1 次角度，將實際值與目標值進行對比可以發(fā)現(xiàn)在輸入壓力相同的條件下，實際彎曲角度比目標角度低，這是由于織物手套及嵌入的傳感器會對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)，說明整個軟體康復手套的結(jié)構(gòu)設計是合理的。

4 結(jié)語

本文設計了基于光波導的傳感驅(qū)動一體化軟體康復手控制系統(tǒng)。一體化多腔室手指作為驅(qū)動器，并將軟體驅(qū)動單元與柔性光纖傳感器進行一體化設計與制造，采用順應性嵌入柔性光纖傳感器對軟體手指的彎曲角度進行實時的反饋，并利用增量式PID控制方法實現(xiàn)閉環(huán)反饋控制。最后，結(jié)合所搭建的軟體康復手想要實現(xiàn)的功能進行了實驗測試，驗證了軟體手部康復機器人控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在未來的工作中，會將肌電交互控制加入進來，根據(jù)患者的表面肌電數(shù)據(jù)準確識別出患者的運動意圖，發(fā)揮患者的主動性進而加快患者的康復速度。