專利名稱：抑制手部震顫的助餐機器人及抑震控制方法
技術領域：
本發明涉及一種抑制手部震顫的助餐機器人及抑震控制方法。
背景技術：
通常人體的某部位發生非意愿顫動的現象，醫學上稱之為“震顫”。震顫是一種不自主 的、有規律性的、近似正弦往復擺動的肢體運動，常見于人的四肢和頭部，是最常見的神經 科疾病癥狀之一，如原發性震顫(ET)、帕金森病(PD)等。原發性震顫(essential tremor, ET)是一種常見的運動障礙，常有家族聚集現象，任何年齡均可發病，平均起病年齡45歲左 右。近年來發病率呈上升趨勢的帕金森病，除了肢體震顫外，還伴有肌僵直和運動減退等癥 狀。肢體震顫按病因分為生理性震顫和病理性震顫兩類。生理性震顫是人體的一種固有震 顫，所有人的肢體都具有這種現象，只是強弱不同而已；病理性震顫是由于人體的病變而帶 來的一種震顫，如帕金森綜合癥和小腦病變等，給眾多患者的日常生活帶來了極大不便，甚 至使患者的生活不能自理。
醫學界對震顫發生機理及其藥物治療已開展了幾十年的研究，至今還沒有治療震 顫非常有效的方法。肢體震顫特別是手臂，影響精細動作、日常飲食和書寫，嚴重時給患者 的日常生活帶來諸多不便。近幾年國內外科研人員嘗試通過“非藥物”途徑，綜合利用機器 人技術研制和開發震顫抑制康復裝置，幫助肢體震顫患者克服運動障礙，恢復生活自理能 力，已初步得到了醫學界和肢體震顫患者的認可。
利用機器人技術的抑震康復裝置采用兩種抑震方法一種是“被動”震顫抑制控制 方法，主要是通過連續調節機器人系統的關節阻尼和慣量系數，進而改變整個人機系統的 生物力學特性，達到減弱肢體震顫運動的目的；另一種是“主動”震顫抑制控制方法，主要是 通過實時預估肢體震顫運動信號，控制抑震裝置產生與震顫運動方向相反的運動，達到抵 消肢體震顫運動的目的。
目前應用較廣的助餐機器人是英國的Handyl,日本Secom公司的“My spoon”等。 Handyl是目前世界上最成功的一種助餐機器人，它具有5個自由度和帶有手爪的機器手 臂，手臂可靈活地從進餐托盤的7個格子中取餐。“My Spoon”僅需少量操縱桿操作和按鈕操 作便可將食物送至嘴邊，然后按照用餐者的進食快慢來輔助就餐。美國專利《SELF-FEEDING APPLIANCE》(US4398857)公開了一種自主助餐器具，使用對象為雙臂殘疾人。以上這幾種 助餐機器人均是為先天性身體殘疾、脊髓損傷、肌肉萎縮癥疾病的患者研制和使用的。目前 還沒有一種專門為抑制原發性震顫、帕金森氏震顫患者用餐時手部震顫的助餐機器人。

發明內容
本發明的目的是提供一種抑制手部震顫的助餐機器人及抑震控制方法，結構簡單、操 作方便，解決了震顫患者日常飲食上的不便，提高了患者的日常生活質量。
上述的目的通過以下的技術方案實現一種抑制手部震顫的助餐機器人，其組成包括機座，控制系統安裝在所述的機座上， 所述的控制系統與操作臂A通過肩關節與操作臂B連接，所述的肩關節與安裝有編碼器A 的伺服電機A連接，所述的操作臂B通過肘關節與操作臂C連接，所述的操作臂C與安裝有編碼器B的伺服電機B連接，所述的操作臂C通過仰俯關節與操作臂D連接，所述的操作臂 D與回轉關節連接，所述的回轉關節上安裝有勺子，所述的勺子的勺把上安裝有三維力傳感器，所述的三維力傳感器通過RS485通信接口與所述的控制系統連接。
所述的抑制手部震顫的助餐機器人，所述的俯仰關節、所述的回轉關節均安裝回轉限位擋塊，限定所述的勺子的俯仰角度93為-45° ^45°，限定所述的勺子的回轉角度 04為_ 30° 30°，在所述的俯仰關節上安裝有雙向旋轉阻尼器。
所述的抑制手部震顫的助餐機器人，所述的控制系統包括上位機，所述的上位機與單片機連接，所述的單片機與肩關節驅動回路、肘關節驅動回路連接，所述的肩關節驅動回路與所述的肩關節連接，所述的肘關節驅動回路與所述的肘關節連接。
所述的抑制手部震顫的助餐機器人，所述的單片機與所述的肩關節驅動回路的伺服驅動器A、所述的肘關節驅動回路的伺服驅動器B連接，所述的伺服驅動器A通過位置控制器A、速度控制器A控制所述的伺服電機A運動，所述的伺服電機A與所述的編碼器A連接，所述的編碼器A與所述的單片機連接；所述的伺服驅動器B通過位置控制器B、速度控制器B控制伺服電機B運動，所述的伺服電機B與所述的編碼器B連接，所述的編碼器B與所述的單片機連接。
一種抑制手部震顫的助餐機器人的抑震控制方法，三維力傳感器檢測到用餐者的手部運動，控制系統的上位機采集所述的三維力傳感器的測量信號，經過實時濾波后，得到所述的進餐者的意向運動信號；根據該意向運動信號，所述的上位機經過計算將速度指令信號、位置指令信號傳遞給單片機；所述的單片機向伺服驅動器A、伺服驅動器B發送指令信號，分別控制肩關節驅動回路、肘關節驅動回路，使得肩關節、肘關節運動；在運動過程中，由所述的進餐者控制俯仰關節、回轉關節的運動。
所述的抑制手部震顫的助餐機器人的抑震控制方法，所述的單片機向所述的伺服驅動器A、所述的伺服驅動器B發指令信號，所述的伺服驅動器A將位置指令傳遞給位置控制器A、所述的位置控制器A將速度指令傳遞給速度控制器A，所述的速度控制器A將信號傳遞給伺服電機A，所述的伺服電機A控制所述的肩關節運動，此時，與所述的伺服電機連接的編碼器A對轉速信號、轉角信號進行檢測，然后分別傳遞給所述的速度控制器A、所述的單片機。
所述的抑制手部震顫的助餐機器人的抑震控制方法，所述的伺服驅動器B將位置指令傳遞給位置控制器B、所述的位置控制器B將速度指令傳遞給速度控制器B，所述的速度控制器B將信號傳遞給伺服電機B，所述的伺服電機B控制所述的肘關節運動，此時，與所述的伺服電機連接的編碼器B對轉速信號、轉角信號進行檢測，然后分別傳遞給所述的速度控制器B、所述的單片機。
所述的抑制手部震顫的助餐機器人的抑震控制方法，所述的俯仰關節、所述的回轉關節均安裝回轉限位擋塊，限定所述的勺子的俯仰角度03為-45° ^45°，限定所述的勺子的回轉角度94為-30° ^30°，在所述的俯仰關節上安裝有雙向旋轉阻尼器。
有益效果1.本發明在助餐機器人的末端勺柄上安裝有三維力傳感器，通過該力傳感器感知進餐者的手部意向運動，控制系統根據提取的意向力信號，來控制助餐機器人的肩、肘關節運動，從而約束該機器人末端勺子的運動速度和運動軌跡，達到抑制患者進餐時手部震顫的目的。
2.本發明基于人機合作機器人的思想，借助計算機控制，由助餐機器人對用餐時的手部軌跡進行約束控制，來抑制震顫患者的手部震顫。機器人末端勺柄上安裝有三維力傳感器，用來檢測進餐者的手部運動，控制系統根據提取的手部意向信號的大小，控制助餐機器人的肩、肘關節以快、中、慢三種不同的關節轉速，實現助餐機器人的速度約束控制和軌跡約束控制。這樣既抑制了震顫患者用餐時手部的震顫運動，又盡可能地減小抑震對人體意向運動的影響。
3.本發明的勺子的俯仰關節、回轉關節由進餐者控制，人與機器人合作共同完成了進餐過程。在俯仰關節處安裝有雙向旋轉阻尼器，目的是抑制手臂震顫可能對勺子俯仰運動的影響，使勺子的俯仰緩速柔和；在勺子的俯仰關節和回轉關節處均安裝回轉限位擋 ±夾，限定勺子的俯仰角度和回轉角度，以滿足進餐的需要。
4.本發明在震顫患者用餐時，助餐機器人安放在餐桌上進餐者的對面，其末端勺子放在餐盤的正上方，餐盤放在進餐者的正前方。根據正常人進餐的快慢不同，控制系統按力傳感器測得的意向力信號的大小，控制助 餐機器人實現快、中、慢三種不同的進餐速度， 解決了震顫患者日常飲食上的不便，提高了患者的日常生活質量。


附圖1是本發明的結構示意圖。
附圖2是附圖1中控制系統的原理框圖。
附圖3是附圖2中肩關節驅動回路的原理框圖。
附圖4是附圖2中肘關節驅動回路的原理框圖。
附圖5是附圖1中餐盤的四個分區的示意圖。
具體實施例方式實施例1:一種抑制手部震顫的助餐機器人，其組成包括機座1，控制系統2安裝在所述的機座上，所述的控制系統與操作臂A28通過肩關節5與操作臂B29連接，所述的肩關節與安裝有編碼器A3的伺服電機A4連接，所述的操作臂B通過肘關節8與操作臂C30連接，所述的操作臂C與安裝有編碼器B6的伺服電機B7連接，所述的操作臂C通過仰俯關節10與操作臂 D31連接，所述的操作臂D與回轉關節11連接，所述的回轉關節上安裝有勺子12，所述的勺子的勺把上安裝有三維力傳感器13，所述的三維力傳感器通過RS485通信接口與所述的控制系統連接。
所述的單片機可以選用AVR8535單片機。
肩關節由伺服電機A驅動，其轉速Ii1、轉角Θ i由編碼器A檢測，肘關節由伺服電機 B驅動，其轉速112、轉角92由編碼器B檢測，三維力傳感器用來檢測進餐者的手部運動，控制系統根據提取的手部意向信號，控制肩關節、肘關節運動，約束機器人末端勺子的運動速度和運動軌跡，達到抑制患者進餐時手部震顫的目的。
實施例2 上述的抑制手部震顫的助餐機器人，所述的俯仰關節、所述的回轉關節均安裝回轉限位擋塊，限定所述的勺子的俯仰角度93為-45° ^45°，限定所述的勺子的回轉角度θ4 為-30° 30°，在所述的俯仰關節上安裝有雙向旋轉阻尼器9。
實施例3 上述的抑制手部震顫的助餐機器人，所述的控制系統如附圖2所示，包括上位機，所述的上位機與單片機連接，所述的單片機與肩關節驅動回路23、肘關節驅動回路25連接，所述的肩關節驅動回路與所述的肩關節連接，所述的肘關節驅動回路與所述的肘關節連接。
實施例4 上述的抑制手部震顫的助餐機器人，所述的單片機與所述的肩關節驅動回路的伺服驅動器A、所述的肘關節驅動回路的伺服驅動器B連接，所述的伺服驅動器A通過位置控制器 A26、速度控制器A27控制 伺服電機A運動，所述的伺服電機A與所述的編碼器A連接，所述的編碼器A與所述的單片機連接；所述的伺服驅動器B通過位置控制器B32、速度控制器 B33控制伺服電機B運動，所述的伺服電機B與所述的編碼器B連接，所述的編碼器B與所述的單片機連接。
實施例5 一種抑制手部震顫的助餐機器人的抑震控制方法，三維力傳感器檢測到用餐者16的手部運動，控制系統的上位機采集所述的三維力傳感器的測量信號，經過實時濾波后，得到所述的進餐者的意向運動信號；根據該意向運動信號，所述的上位機經過計算將速度指令信號、位置指令信號傳遞給單片機；所述的單片機向伺服驅動器A、伺服驅動器B發送指令信號，分別控制肩關節驅動回路、肘關節驅動回路，使得肩關節、肘關節運動；在運動過程中，由所述的進餐者控制俯仰關節、回轉關節的運動。
所述的單片機可以選用AVR8535單片機。
用餐時助餐機器人安放在餐桌14上，進餐者的對面，并且末端勺子位于餐盤15的正上方，餐盤放在餐桌上進餐者的正前方。
肩關節由伺服電機A驅動，其轉速Ii1、轉角Θ i由編碼器A檢測，肘關節由伺服電機 B驅動，其轉速112、轉角92由編碼器B檢測，三維力傳感器用來檢測進餐者的手部運動，控制系統根據提取的手部意向信號，控制肩關節、肘關節運動，約束機器人末端勺子的運動速度和運動軌跡，達到抑制患者進餐時手部震顫的目的。
實施例6 上述的抑制手部震顫的助餐機器人的抑震控制方法，所述的單片機向所述的伺服驅動器A、所述的伺服驅動器B發指令信號，所述的伺服驅動器A將位置指令傳遞給位置控制器 A、所述的位置控制器A將速度指令傳遞給速度控制器A，所述的速度控制器A將信號傳遞給伺服電機A，所述的伺服電機A控制所述的肩關節運動，此時，與所述的伺服電機連接的編碼器A對轉速信號、轉角信號進行檢測，然后分別傳遞給所述的速度控制器A、所述的單片機。
實施例7 上述的抑制手部震顫的助餐機器人的抑震控制方法，所述的伺服驅動器B將位置指令傳遞給位置控制器B、所述的位置控制器B將速度指令傳遞給速度控制器B，所述的速度控制器B將信號傳遞給伺服電機B，所述的伺服電機B控制所述的肘關節運動，此時，與所述的伺服電機連接的編碼器B對轉速信號、轉角信號進行檢測，然后分別傳遞給所述的速度控制器B、所述的單片機。
實施例8 上述的抑制手部震顫的助餐機器人的抑震控制方法，所述的俯仰關節、所述的回轉關節均安裝回轉限位擋塊，限定所述的勺子的俯仰角度93為-45° ^45°，限定所述的勺子的回轉角度94為_ 30° 30°，在所述的俯仰關節上安裝有雙向旋轉阻尼器。
實施例9 上述的抑制手部震顫的助餐機器人的抑震控制方法，如附圖1所示，用餐開始前，機器人末端勺子位于起始位置A點，餐盤位于B點，進餐者的嘴部在C點，定義虛擬平面17為過A、B、C三點的平面。用餐開始后，機器人末端勺子由A B點或由C B點為取餐過程，由B C 點為送餐過程。控制系統控制機器人末端勺子由A B點或由C A點為虛擬平面內的直線軌跡，由B C點或由C B點為虛擬平面內的圓弧軌跡。
實施例10 上述的抑制手部震顫的助餐機器人的抑震控制方法，控制系統提取意向運動信號后， 控制機器人末端勺子開始由A B點的取餐運動，在運動過程中伴有由進餐者控制的俯仰關節、回轉關節的運動；取餐完成后，控制系統根據意向信號控制機器人末端勺子開始由B C 點的送餐運動，送餐到C點后，進餐者開始進餐；接著控制系統控制末端勺子由C B點的取餐運動，取餐后，控制末端勺子由B C點的送餐運動；用餐結束時，控制末端勺子由C A點， 達到A點后，助餐機器人停止運動。
實施例11 上述的抑制手部震顫的助餐機器人的抑震控制方法，如附圖5所示，餐盤可選用有四個分區B1、B2、B3和B4的餐盤，此時餐盤可以手動轉位。進餐開始前，可將餐盤的BI放在助餐機器人的末端勺子的正下方，進餐者的正前方。進餐開始后，進餐者可以轉動餐盤，分別將B2、B3或B4轉位到自己的正前方，這樣進餐者就可以吃到幾種不同的飯菜。
權利要求
1.一種抑制手部震顫的助餐機器人，其組成包括機座，其特征是控制系統安裝在所述的機座上，所述的控制系統與操作臂A通過肩關節與操作臂B連接，所述的肩關節與安裝有編碼器A的伺服電機A連接，所述的操作臂B通過肘關節與操作臂C連接，所述的操作臂 C與安裝有編碼器B的伺服電機B連接，所述的操作臂C通過仰俯關節與操作臂D連接，所述的操作臂D與回轉關節連接，所述的回轉關節上安裝有勺子，所述的勺子的勺把上安裝有三維力傳感器，所述的三維力傳感器通過RS485通信接口與所述的控制系統連接。
2.根據權利要求1所述的抑制手部震顫的助餐機器人，其特征是所述的俯仰關節、所述的回轉關節均安裝回轉限位擋塊，限定所述的勺子的俯仰角度03為-.45° ^45°，限定所述的勺子的回轉角度94為-30° ^30°，在所述的俯仰關節上安裝有雙向旋轉阻尼器。
3.根據權利要求1或2所述的抑制手部震顫的助餐機器人，其特征是所述的控制系統包括上位機，所述的上位機與單片機連接，所述的單片機與肩關節驅動回路、肘關節驅動回路連接，所述的肩關節驅動回路與所述的肩關節連接，所述的肘關節驅動回路與所述的肘關節連接。
4.根據權利要求1或2所述的抑制手部震顫的助餐機器人，其特征是所述的單片機與所述的肩關節驅動回路的伺服驅動器A、所述的肘關節驅動回路的伺服驅動器B連接，所述的伺服驅動器A通過位置控制器A、速度控制器A控制所述的伺服電機A運動，所述的伺服電機A與所述的編碼器A連接，所述的編碼器A與所述的單片機連接；所述的伺服驅動器 B通過位置控制器B、速度控制器B控制伺服電機B運動，所述的伺服電機B與所述的編碼器B連接，所述的編碼器B與所述的單片機連接。
5.一種抑制手部震顫的助餐機器人的抑震控制方法，其特征是三維力傳感器檢測到用餐者的手部運動，控制系統的上位機采集所述的三維力傳感器的測量信號，經過實時濾波后，得到所述的進餐者的意向運動信號；根據該意向運動信號，所述的上位機經過計算將速度指令信號、位置指令信號傳遞給單片機；所述的單片機向伺服驅動器A、伺服驅動器B 發送指令信號，分別控制肩關節驅動回路、肘關節驅動回路，使得肩關節、肘關節運動；在運動過程中，由所述的進餐者控制俯仰關節、回轉關節的運動。
6.根據權利要求5所述的抑制手部震顫的助餐機器人的抑震控制方法，其特征是所述的單片機向所述的伺服驅動器A、所述的伺服驅動器B發指令信號，所述的伺服驅動器A 將位置指令傳遞給位置控制器A、所述的位置控制器A將速度指令傳遞給速度控制器A，所述的速度控制器A將信號傳遞給伺服電機A，所述的伺服電機A控制所述的肩關節運動，此時，與所述的伺服電機連接的編碼器A對轉速信號、轉角信號進行檢測，然后分別傳遞給所述的速度控制器A、所述的單片機。
7.根據權利要求5或6所述的抑制手部震顫的助餐機器人的抑震控制方法，其特征是 所述的伺服驅動器B將位置指令傳遞給位置控制器B、所述的位置控制器B將速度指令傳遞給速度控制器B，所述的速度控制器B將信號傳遞給伺服電機B，所述的伺服電機B控制所述的肘關節運動，此時，與所述的伺服電機連接的編碼器B對轉速信號、轉角信號進行檢測，然后分別傳遞給所述的速度控制器B、所述的單片機。
8.根據權利要求5或6所述的抑制手部震顫的助餐機器人的抑震控制方法，其特征是 所述的俯仰關節、所述的回轉關節均安裝回轉限位擋塊，限定所述的勺子的俯仰角度Θ 3為 -45° ^45°，限定所述的勺子的回轉角度94為-30° ^30°，在所述的俯仰關節上安裝有雙 向旋轉阻尼器。
全文摘要
抑制手部震顫的助餐機器人及抑震控制方法。目前還沒有一種專門為震顫患者用餐時手部震顫的助餐機器人。本發明組成包括機座(1)，控制系統(2)安裝在機座上，控制系統與操作臂A(28)通過肩關節(5)與操作臂B(29)連接，肩關節與安裝有編碼器A(3)的伺服電機A(4)連接，操作臂B通過肘關節(8)與操作臂C(30)連接，操作臂C與安裝有編碼器B(6)的伺服電機B(7)連接，操作臂C通過仰俯關節(10)與操作臂D(31)連接，操作臂D與回轉關節(11)連接，回轉關節上安裝有勺子(12)，勺子的勺把上安裝有三維力傳感器(13)，三維力傳感器通過RS485通信接口與控制系統連接。本發明用于抑制震顫患者用餐時手部的震顫。
文檔編號B25J13/00GK102990669SQ201210522099
公開日2013年3月27日 申請日期2012年12月7日 優先權日2012年12月7日
發明者董玉紅, 趙廣志 申請人:哈爾濱理工大學