[0001] 本发明属于康复机器人技术领域，特别涉及一种气动软体手部康复机器人的控制系统及控制方法。

[0002] 近年来，软体机器人已成为机器人领域的研究热点。它们是一种由柔性材料制成的新型连续仿生机器人。

[0003] 机器人辅助的重复任务训练可以有效地帮助手部功能的恢复。为了克服传统机器人的局限性，软手康复机器人通过软执行器实现手指康复和辅助运动。其中，气动驱动的软康复机器人具有重量轻、灵活、安全等特点，适用于手部辅助和康复。但是，现在大多数的气动软体手部康复机器人只能实现手指的单向弯曲。因此，设计一种双向弯曲的气动软体手部康复机器人，可以更好的满足手部受损患者的康复训练的需求。

[0004] 此外，研究人员已经研究并设计了模仿人类手指运动的软体机器人执行器，包括双向弯曲执行器。许多这些柔软的机器人手由流体驱动的软执行器组成，它利用中空软结构中的流体进行气动或液压驱动。尽管软致动器已经获得了极大的关注，但其流体驱动系统却很少受到关注。软体手部机器人的气动驱动平台可以采用压缩空气作为动力，主要采用气泵作为气源，配合各种阀门控制空气的流向。最流行的气动控制架构是流体控制的开源硬件平台，可以从控制板上获得，控制板主要由隔膜泵和电磁阀组成，控制算法在Arduino微控制器上实现，可以在单个系统范围内进行压力调节。软体手部康复机器人系统越来越复杂，要求能够控制致动器复杂的运动功能。其中，继电器和电磁阀起到了关键的作用。关于软体手部康复机器人的文献中已经介绍了带有电磁阀的设置。用于控制双向弯曲软致动器的硬件和控制平台介绍的少之又少。因此，设计一种易于扩展且便宜的硬件平台，使双向弯曲气动软机械手康复机器人能够辅助手部受伤患者进行多种康复练习尤为重要。

[0071] 为能对本发明的特征、目的及功能有更进一步的认识与了解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

[0072] 气动软体手部机器人系统结构组成图主要由两部分组成，包括软体手部康复机器人和其控制电路。如图1所示。

[0073] 参见图2、图3所示，本发明提供一种气动软体手部机器人，包括由上至下依次连接的主弯曲模块108、中间气管连接层109及反向弯曲模块110，其中主弯曲模块108设有两组或三组向上凸起且独立的上腔体结构，反向弯曲模块110设有向下凸起的下腔体结构，中间气管连接层109用于连接主弯曲模块108和反向弯曲模块110，且为下腔体结构和各上腔体结构提供气压，实现气动软体手部机器人的弯曲和伸展动作。

[0074] 参见图4、图5所示，本发明的实施例中，主弯曲模块108的上腔体结构包括依次并列的多个半圆形截面气腔101，每组相邻两个半圆形截面气腔101之间通过主弯曲模块气体通道102连通，各半圆形截面气腔101内通入气体后，主弯曲模块108能够实现软体手部机器人的主弯曲功能。

[0075] 本实施例中，各上腔体结构设有四个半圆形截面气腔101，主弯曲模块108的上腔体结构加压后末端指尖能够达到180°的弯曲角度。

[0076] 参见图8、图9所示，本发明的实施例中，反向弯曲模块110的下腔体结构包括并列设置的多个梯形截面气腔106，相邻两个梯形截面气腔106之间通过反向弯曲模块气体通道107连通，各梯形截面气腔106内通入气体后，反向弯曲模块110能够实现软体手部机器人的反向弯曲。

[0077] 进一步地，反向弯曲模块110的下腔体结构加压后，末端指尖能够达到70°的弯曲角度。反向弯曲模块110反向弯曲的指尖力小于主弯曲模块108主弯曲指尖力。

[0078] 参见图6、图7所示，本发明的实施例中，中间气管连接层109包括连接板111及设置于连接板111上的多个气管103，连接板111的两侧分别与主弯曲模块108和反向弯曲模块110密封连接，多个气管103分别为主弯曲模块108的各上腔体结构和反向弯曲模块110的下腔体结构供气。

[0079] 进一步地，连接板111的上侧面设有分别与各上腔体结构连通的多个主弯曲模块通气气孔104；连接板111的下侧面设有与下腔体结构连通的反向弯曲模块通气气孔105。反向弯曲模块通气气孔105和各主弯曲模块通气气孔104分别与一气管103连接。本实施例中，具有四个气管103。通过控制主弯曲模块108的各上腔体结构内气压，实现气动软体手部机器人的多种弯曲形态。

[0080] 具体地，主弯曲模块108是手指上层，主要负责手指屈曲运动，是模拟手指的三个关节设计的三级腔体结构，每个关节四个半圆形截面气腔101，半圆形截面气腔101的截面形状为半圆，有更好的弯曲性能。反向弯曲模块110是手指下层，主要负责手指伸展运动，截面设计为梯形。在保证不影响手指主弯曲和安全的条件下，梯形截面气腔106的截面形状采用梯形，可以提供足够大的反向弯曲力。中间气管连接层109是中间层，目的是放置气管103，将空气通过主弯曲模块通气气孔104和反向弯曲模块通气气孔105分别输送到主弯曲模块108和反向弯曲模块110，并将起到连接作用。

[0081] 本发明的实施例中，主弯曲模块108、中间气管连接层109及反向弯曲模块110均采用硅胶材料制成。当主弯曲模块108设有三组向上凸起且独立的上腔体结构时，形成中指，具有十二个半圆形截面气腔101；当主弯曲模块108设有两组向上凸起且独立的上腔体结构时，形成拇指，具有八个半圆形截面气腔101。

[0082] 具体地，中指采用中指模具制备。参见图10所示，中指模具由六部分组成：主弯曲模块下部分模具Ⅰ201、主弯曲模块上部分模具Ⅰ202、中间气管层主弯曲面模具Ⅰ203、中间气管层反向弯曲面模具Ⅰ204、反向弯曲模块上部分模具Ⅰ205及反向弯曲模块下部分模具Ⅰ206。参见图10(A)所示，主弯曲模块下部分模具Ⅰ201和主弯曲模块上部分模具Ⅰ202用于制备中指的主弯曲模块108；参见图10(B)所示，中间气管层主弯曲面模具Ⅰ203和中间气管层反向弯曲面模具Ⅰ204用于制备中指的中间气管连接层109；参见图10(C)所示，反向弯曲模块上部分模具Ⅰ205和反向弯曲模块下部分模具Ⅰ206用于制备中指的反向弯曲模块110。

[0083] 具体地，拇指采用拇指模具制备。参见图11所示，拇指模具由六部分组成，包括主弯曲模块下部分模具Ⅱ207、主弯曲模块上部分模具Ⅱ208、中间气管层主弯曲面模具Ⅱ209、中间气管层反向弯曲面模具Ⅱ210、反向弯曲模块下部分模具Ⅱ211及反向弯曲模块上部分模具Ⅱ212。参见图11(a)所示，主弯曲模块下部分模具Ⅱ207和主弯曲模块上部分模具Ⅱ208用于制备拇指的主弯曲模块108；参见图11(b)所示，中间气管层主弯曲面模具Ⅱ209和中间气管层反向弯曲面模具Ⅱ210用于制备拇指的中间气管连接层109；参见图11(c)所示，反向弯曲模块下部分模具Ⅱ211和反向弯曲模块上部分模具Ⅱ212用于制备拇指的反向弯曲模块110。

[0084] 本发明提供一种气动软体手部机器人，以中指为例，其制备流程为：

[0085] 模具的材料是PLA，由Bambu Lab 3D打印机打印。气动软体手部机器人是由Ecoflex 00‑50硅胶1：1比例混合制成。

[0086] 主弯曲模块108的制作过程是：将的主弯曲模块上部分模具Ⅰ202盖在主弯曲模块下部分模具Ⅰ201上，然后将搅拌好的硅胶化合物倒入模具中，静置三小时后，脱模。

[0087] 中间气管连接层109的制作过程是：先将气管103放置到相应的孔中，然后将硅胶物料倒入中间气管层主弯曲面模具Ⅰ203中，最后将中间气管层反向弯曲面模具Ⅰ204盖在中间气管层主弯曲面模具Ⅰ203上固定，静置三个小时后，脱模。

[0088] 反向弯曲模块110的制作过程采用的是倒置浇注的方式：首先，将硅胶化合物倒入反向弯曲模块下部分模具Ⅰ206中，然后将反向弯曲模块上部分模具Ⅰ205盖在反向弯曲模块下部分模具Ⅰ206上。最后将其倒置，反向弯曲模块下部分模具Ⅰ206在上，再次进行浇筑，静置三个小时，脱模。

[0089] 最后，将三部分粘合在一起，得到中指。拇指的制作过程和中指相同。

[0090] 本实施例中，主弯曲模块108的数学模型

[0091] 单元气腔模块的长度为a，充气后模块的膨胀长度为b，高度为h，弯曲角度为θ，模块的宽度为c，环境因素引起的误差为E。弯曲角度θ由下式给出：

[0092]

[0093] 根据阿伏加德罗的假设，气体体积和质量的平衡方程可以从克拉伯伦方程推导出来:

[0094]

[0095] 其中，P(Pa)是压力，V(m3)是体积，m(g)是质量，μ(g/mol)是摩尔质量，T(℃)是绝对温度，R是常数。

[0096] 当腔体膨胀时，单个气室可以被视为半椭球体。因此，单个充气气室的体积表达式如下：

[0097]

[0098] 根据方程式(1)‑(3)，得出输出气压与弯曲角度之间的关系。

[0099]

[0100] 本实施例中，反向弯曲模块110的数学模型

[0101] 为了在不影响手指屈曲角度的情况下满足反向弯曲的要求，将中间部分设计为等腰梯形，侧面为不规则梯形，具有相同的倾斜角度。反向弯曲模块110的高度为h1，上底长度为b1，下底长度为a1，梯形下底与边之间的角度为α1，模块的宽度为c。

[0102]

[0103] 其中，t是梯形的斜边；R是膨胀后扇形的半径；ε是中心角的一半；θ是弯曲角度的一半。

[0104] 当腔体膨胀时，单个腔室可以表示为：

[0105] V＝2εR2c‑Rtccosε+(a1+b1)h1c/2     (6)

[0106] 根据阿伏加德罗的假设，气体体积和质量的平衡方程可以从克拉伯伦方程推导出来:

[0107]

[0108] 其中，P′(Pa)是压力，V(m3)是体积，m0(g)是质量，μ0(g/mol)是摩尔质量，T0(℃)是绝对温度，R0是常数。

[0109] 根据方程式(5)‑(7)，得出输出气压与弯曲角度之间的关系。

[0110]

[0111] 本发明提出了一种新型的装有双向弯曲作动器的柔性气动手部康复机器人，拇指最大弯曲角度可达70°，其他手指最大弯曲角度可达180°，满足日常活动需要。主弯曲模块108实现手指屈曲功能，采用三级腔体结构，共设计十二个气腔，每个手指关节包含四个气腔，模拟人的手指。每个关节可以实现单独控制，也可以协同控制，这样的设计增加了手指训练动作。中间气管连接层109是固定气管103并起到连接主弯曲模块108和反向弯曲模块
110的作用，设有三个气孔的面与主弯曲模块108粘合，设有一个气孔的面与反向弯曲模块
110粘合。在不影响主弯曲模块108的弯曲运动的情况下，反向弯曲模块110使用梯形气室结构，这种构型符合人手弯曲的形态，并能够提高反向弯曲能力实现辅助手指伸展的功能。

[0112] 本发明可以在安全的气压下实现手指的康复运动，经过实验验证，反向弯曲的指尖力小于主弯曲指尖力，说明手指的安全性。手指能抓握的最大重量为260g。这对患有部分手功能障碍的患者的康复尤其有益。本发明不仅可以完成多种手部康复姿势，还可以辅助手部受损病人抓握适合重量的物体，可以更好的帮助手部功能的恢复。

[0113] 控制电路包括：控制器301和与其分别连接的主弯曲电路、反向弯曲电路、气路连接电路；所述主弯曲电路、反向弯曲电路均连接气路电路；所述气路电路包括气泵303和电机驱动器302，气泵303还连接气动软体手部机器人的中间气管连接层109；所述控制器烧写有充气程序，输出指令控制主弯曲电路、反向弯曲电路、气路连接电路工作，使得气泵303通过中间气管连接层向主弯曲模块108、反向弯曲模块110充气，实现气动软体手部机器人的弯曲和伸展动作。

[0114] 具体的，控制电路中，Arduino控制器301，主要负责发送或者接受指令。电机驱动器302连接气泵303，主要负责接收Arduino控制器指令给气路提供气源。继电器304主要负责接收Arduino控制器指令，控制两位两通电磁阀305和两位三通电磁阀309实现主弯曲模块108、反向弯曲模块110的各个气路通断。单指由2路充气支气路分别控制主弯曲模块和反向弯曲模块充气和放气。单手五指共10个电路支路工作。气压传感器306，连接与各个手指的主弯曲模块和反向弯曲模块直接相连的充气管路或者各个手指主弯曲气路的主气路320和反向弯曲气路的主气路321，主要用于检测各个充气管路的实时压力值并通过Arduino控制器接收检测数据。降压模块307用于将外接+12V电源降至+5V电源提供给Arduino控制器301。溢流阀308的输入端连接气泵的出气口，溢流阀308的输出端与充气气路相连，目的是通过控制气体输入的流量，保证整个系统的安全。手指角度弯曲传感器和手指压力传感器采集的数据也做为手指运动状态的判断依据。

[0115] 如图12所示，主弯曲气路和反向弯曲气路结构相同，分别包括五路充气支路。继电器304和两位两通电磁阀305组成充气支路，采用+12V作为电源。主弯曲气路通过Arduino控制器301控制继电器304的开闭，进而控制两位两通电磁阀305和两位三通电磁阀309的开断。由气泵303提供空气，控制软体手部康复机器人315充气或气缸310(模拟软体手部康复机器人)运动。反向弯曲气路通过Arduino控制器301控制继电器304的开闭，进而控制两位两通电磁阀305的开断。由气泵303提供空气，控制软体手部康复机器人315充气或气缸310(模拟软体手部康复机器人)运动。主弯曲气路和反向弯曲气路有共同的中间连接气路部分。溢流阀308的输入端连接气泵的出气口，溢流阀308的输出端与充气气路相连，目的是通过控制气体输入的流量，保证整个系统的安全。

[0116] 中间连接气路的a端连接到主弯曲气路的305A端，b端连接到反向弯曲气路的305B端。中间连接气路总共有5个，连接(YAZ1,YAF1)到(YAZ5,YAF5)。

[0117] 图13为降压模块307，将外接+12V电源降至+5V提供给Arduino控制器301。电感L1能够将电能转换为磁能储存起来，也能将磁能转换为电能再次释放，另外也起到保护电流使其逐步增大；为了防止在输入端出现大的瞬态电压，在输入端和地之间要加一个铝或钽电容(C1、C2)作为旁路电容；肖特基二极管D6保证电流的方向。

[0118] 图14为Arduino控制器301。Arduino控制器301输出电机驱动信号经PWM引脚输出至电机驱动器302，从而控制气泵电机316运转，使气泵303工作。Arduino控制器301输出充气信号经Arduino控制器301的I/O接口312至两位两通电磁阀305，从而调节电磁阀开度控制气泵输出气压大小。Arduino控制器301的模拟接口313接收气压传感器306的实时气压测量信号。

[0119] 如图15所示，电机驱动器302接收电机驱动信号，分别通过2组输出引脚(OUT1和OUT 2、OUT3和OUT 4)控制电机M1(模拟气泵)和电机M2(模拟气泵)工作。电路中还配有上拉电阻318和按键319控制电机M1、和电机M2的转速和方向，二极管317控制电路的电流流向。

[0120] 如图16所示，气压传感器306，连接各个手指的主弯曲模块和反向弯曲模块的充气管路或者各个手指主弯曲气路的主气路320和反向弯曲气路的主气路321，主要用于检测各个充气管路的实时压力值并通过Arduino控制器接收检测数据。由于开关阀可以采用数字信号驱动，因此在Arduino控制器301的I/O接口312上连接了10个继电器304，控制继电器304的开闭从而实现两位两通电磁阀305或两位三通电磁阀309的开断。主弯曲气路的主气路320每个手指对应的继电器304控制两位两通电磁阀305和两位三通电磁阀309的通断，反向弯曲气路的主气路321每个手指对应的继电器304控制两位两通电磁阀305通断。

[0121] 手指弯曲角度传感器置于软体手套与人手指背面接触的面上，记录当气动软体手套带动人体手指弯曲时的手指关节弯曲角度值，并将角度数据传输到控制器301，以作为手指运动状态的判断依据。

[0122] 手指薄膜压力传感器置于软体手套远端指节的指腹，记录当气动软体手套带动人体手指抓取物体时的手指压力值，并将压力数据传输到控制器301，以作为手指抓握运动是否停止的判断依据。

[0123] 本实例中，用电机316模拟气泵。电机驱动器302连接到Arduino控制器301的I/O接口上，通过调节PWM信号的占空比来控制电机316的转速和方向。这种调节有效地调节了气流和压力。此外，气压传感器306将压力读数转换为模拟电压信号。Arduino控制器301的主控板通过气压传感器305的A0和A1引脚捕获该输出。

[0124] 本发明提出一种双向气动软机械手康复系统的硬件平台。该平台分为两个主要部分：气动回路和电气回路。通过集成两个气泵，十个继电器和25个电磁阀，开发一种有效连接这些电路的方法。Arduino微控制器在管理继电器和电磁阀以及控制电机驱动模块中起着至关重要的作用。这种设置可以同时控制多个手指的弯曲和伸展运动。本发明不仅可以帮助用户训练单个手指，也可以促进多个手指在多种康复手势中的协调运动，实现控制软体手部康复机器人辅助手部受损患者完成康复训练和辅助任务。

[0125] 以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。