本發(fā)明涉及機(jī)器人人機(jī)交互技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及手部康復(fù)外骨骼人機(jī)交互系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步及其應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，康復(fù)機(jī)器人作為智能機(jī)器人的一個(gè)分支正在逐步進(jìn)入我們的生活，并給康復(fù)理論的發(fā)展和臨床康復(fù)技術(shù)的進(jìn)步帶來了新的動(dòng)力。目前，康復(fù)機(jī)器人技術(shù)正在日益成為機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。人手外傷或術(shù)后的功能恢復(fù)是手外科醫(yī)師必須面對(duì)的問題。目前，連續(xù)被動(dòng)活動(dòng)理論正在進(jìn)入臨床實(shí)踐并為廣大康復(fù)醫(yī)師所日漸接受。本專利提出一種基于arm和linux系統(tǒng)的外骨骼人機(jī)交互系統(tǒng)，給手外傷患者提供一個(gè)用于手功能康復(fù)治療的cpm機(jī)，給手外科康復(fù)醫(yī)師提供一個(gè)臨床研究的儀器設(shè)備，提高手功能康復(fù)治療的自動(dòng)化、智能化水平。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)目前手部康復(fù)外骨骼系統(tǒng)所具有的傳感性能較差，系統(tǒng)體積過大不利于攜帶，以及康復(fù)方式單一的問題，提供了一種基于arm和linux操作系統(tǒng)的手部康復(fù)外骨骼人機(jī)交互系統(tǒng)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

基于arm和linux操作系統(tǒng)的手部康復(fù)外骨骼人機(jī)交互系統(tǒng),其特征在于，它包括關(guān)節(jié)力矩傳感器，關(guān)節(jié)角度傳感器，硬件平臺(tái)與軟件平臺(tái)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，人機(jī)交互界面和外骨骼機(jī)械手，

傳感器系統(tǒng)由關(guān)節(jié)力矩傳感器和關(guān)節(jié)角度傳感器構(gòu)成，

關(guān)節(jié)力矩傳感器用于采集外骨骼機(jī)械手關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，

關(guān)節(jié)角度傳感器用于采集外骨骼機(jī)械手關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，

關(guān)節(jié)力矩傳感器將采集到外骨骼關(guān)節(jié)的力矩信息通過信號(hào)調(diào)理電路將信息傳給數(shù)據(jù)采集模塊，

關(guān)節(jié)角度傳感器將采集到的外骨骼關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度信息通過信號(hào)調(diào)理電路將信息傳給數(shù)據(jù)采集模塊，

硬件平臺(tái)與軟件平臺(tái)用于處理康復(fù)外骨骼機(jī)械手的的實(shí)現(xiàn)，

系統(tǒng)硬件平臺(tái)采用功能模塊化的方法進(jìn)行搭建，分為基于串行外設(shè)接口（spi）總線的數(shù)據(jù)采集模塊和電機(jī)控制模塊、供電及電源管理模塊、系統(tǒng)平臺(tái)，

結(jié)合系統(tǒng)硬件，軟件平臺(tái)采用分級(jí)并行競爭控制結(jié)構(gòu)，

人機(jī)交互界面使用戶能夠按照康復(fù)模式采用被動(dòng)康復(fù)方式或者半被動(dòng)康復(fù)方式，通過游戲的方式進(jìn)行手部康復(fù)訓(xùn)練，

作為優(yōu)選，所述關(guān)節(jié)力矩傳感器為基于應(yīng)變測量原理設(shè)計(jì)的應(yīng)變式傳感器。

作為優(yōu)選，傳感器的彈性體和康復(fù)機(jī)械手的機(jī)構(gòu)本體融合在一起，所述彈性體是懸臂梁結(jié)構(gòu)，由硬鋁za12制成，所述關(guān)節(jié)力矩傳感器的調(diào)解電路為兩個(gè)應(yīng)變片組成半橋電路，經(jīng)過放大電路得到所需信號(hào)，并傳輸給數(shù)據(jù)采集模塊。

作為優(yōu)選，所述關(guān)節(jié)角度傳感器采用的雙軸霍爾傳感器2d-vh-11，永久磁鐵產(chǎn)生的磁場平行于2d-vh-11的表面，通過調(diào)理電路將外骨骼關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)采集模塊。

作為優(yōu)選，所述硬件平臺(tái)采用模塊式設(shè)計(jì)方法，分為4個(gè)功能模塊：供電及電源管理模塊、系統(tǒng)平臺(tái)、數(shù)據(jù)采集模塊和電機(jī)控制模塊，

所述數(shù)據(jù)采集模塊和電機(jī)控制模塊都掛接到s3c2410的串行外設(shè)接口（spi）總線上

所述硬件平臺(tái)可以作為一個(gè)通用的控制平臺(tái)，

所述硬件平臺(tái)的特征為數(shù)據(jù)采集模塊和電機(jī)控制模塊都掛接到s3c2410的串行外設(shè)接口（spi）總線上，所述模塊掛接方式的特征為基于spi總線的模塊和結(jié)構(gòu)，該特征保證了控制平臺(tái)功能的可擴(kuò)展性。

作為優(yōu)選，所述軟件平臺(tái)包括驅(qū)動(dòng)程序、圖形用戶界面（gui）、控制程序和應(yīng)用程序接口（api）等4各部分，

api函數(shù)在開發(fā)的驅(qū)動(dòng)程序的基礎(chǔ)上將對(duì)外設(shè)的操作函數(shù)化提供給控制程序使用；

控制程序包括主控制程序和控制子程序，其中主控制程序完成整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行和監(jiān)控、控制子程序完成康復(fù)機(jī)械手的傳感數(shù)據(jù)處理、控制策略實(shí)施和具體控制方法的實(shí)現(xiàn)；

圖形用戶界面建立人機(jī)交互系統(tǒng)，通過調(diào)用控制子程序?qū)崿F(xiàn)康復(fù)機(jī)械手多種康復(fù)模式的選擇、參數(shù)設(shè)定和具體康復(fù)過程的實(shí)現(xiàn)。

作為優(yōu)選，所述系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)。

作為優(yōu)選，所述軟件系統(tǒng)采用并行競爭控制，該控制結(jié)構(gòu)中低級(jí)模式受高級(jí)模式的制約，如果高級(jí)模式未被激活，則系統(tǒng)采用已被激活的低一級(jí)模式；如果高級(jí)模式已被激活，則其輸出抑制低級(jí)模式的輸出，高級(jí)模式接管控制系統(tǒng)，直到其對(duì)應(yīng)的信息輸入復(fù)原或被更高級(jí)的模式所抑制。按照系統(tǒng)優(yōu)先級(jí)從高到低的次序：

模式0——緊急模式：用于電源電壓超限、康復(fù)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)受阻和急停按鈕人工停車等。此時(shí)系統(tǒng)gui給出圖形文字報(bào)警，屏蔽所有低級(jí)模式。

模式1——手動(dòng)模式：用于手動(dòng)控制。

模式2——程控模式：由人機(jī)界面對(duì)康復(fù)任務(wù)和參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，自主的完成康復(fù)過程。

作為優(yōu)選，主界面共有4個(gè)主要功能模塊：康復(fù)訓(xùn)練模塊、系統(tǒng)設(shè)置模塊、娛樂模塊和幫助模塊，康復(fù)訓(xùn)練和系統(tǒng)設(shè)置為系統(tǒng)的主要功能模塊，

其中，康復(fù)訓(xùn)練包括cpm和h-cpm兩種康復(fù)模式，在cpm康復(fù)模式中手指的彎曲訓(xùn)練和擺動(dòng)訓(xùn)練分別進(jìn)行，

系統(tǒng)設(shè)置完成兩個(gè)主要任務(wù)：其一是對(duì)康復(fù)訓(xùn)練過程中康復(fù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；其二是對(duì)康復(fù)過程中保存的關(guān)節(jié)力／位信息轉(zhuǎn)存到u盤。

作為優(yōu)選，手加數(shù)據(jù)手套，通過健康人手的動(dòng)作控制患指的康復(fù)運(yùn)動(dòng)，患者能夠根據(jù)自身的感覺來調(diào)控患指連續(xù)被動(dòng)活動(dòng)的速度和范圍，從而增加了患者在康復(fù)運(yùn)動(dòng)中的自主性和主觀能動(dòng)性。

作為優(yōu)選，兩種康復(fù)模式：cpm模式和h-cpm模式，

cpm模式下有兩種康復(fù)訓(xùn)練：彎曲和擺動(dòng)。彎曲和擺動(dòng)康復(fù)非常相像，只是針對(duì)的康復(fù)對(duì)象不同，在界面設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)中，體現(xiàn)了協(xié)調(diào)一致的特點(diǎn)，彎曲和擺動(dòng)的界面風(fēng)格、用戶交互方式都具有良好的一致性，

開始康復(fù)訓(xùn)練前首先要進(jìn)行“快速調(diào)整”，可以通過界面提供的手指選擇按鈕和列表框選擇要康復(fù)的手指關(guān)節(jié)，并通過操作“開始”、“換向”和“停止”按鈕，完成康復(fù)前關(guān)節(jié)位置的設(shè)定，

接著進(jìn)行“康復(fù)訓(xùn)練”，根據(jù)界面提示，設(shè)置好“康復(fù)時(shí)間”和“康復(fù)周期”，點(diǎn)擊“開始”按鈕，這樣所有調(diào)整過的電機(jī)就同時(shí)運(yùn)行，并在半個(gè)康復(fù)周期時(shí)自動(dòng)換向，直至康復(fù)時(shí)間到或者電機(jī)緊急停止。這種康復(fù)訓(xùn)練既可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)手指多關(guān)節(jié)的彎曲康復(fù)訓(xùn)練，也可以實(shí)現(xiàn)手指的擺動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練，

h-cpm與cpm不同的是在選擇所要進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的手指和關(guān)節(jié)后，可以根據(jù)用戶的需求，通過調(diào)節(jié)滑塊設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并可以實(shí)時(shí)修改電機(jī)轉(zhuǎn)速。在到達(dá)手指活動(dòng)的某一極限位置的時(shí)候，用戶可以通過點(diǎn)擊“換向”按鈕手動(dòng)換向，用戶自己控制康復(fù)時(shí)間和康復(fù)周期，無需通過程序設(shè)定。

本發(fā)明的有益效果是：針對(duì)目前手部康復(fù)外骨骼式機(jī)器人所具有的傳感性能較差，系統(tǒng)體積過大不利于攜帶，以及康復(fù)方式單一的問題，發(fā)明了基于軟硬件系統(tǒng)與力/位傳感系統(tǒng)的手部康復(fù)外骨骼。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源為安裝在手部關(guān)節(jié)的位置與力矩傳感器，將所述信息經(jīng)過arm芯片處理后得到數(shù)據(jù)信息，并利用所述數(shù)據(jù)信息實(shí)現(xiàn)手部外骨骼關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)并通過基于系統(tǒng)的人機(jī)交互平臺(tái)所設(shè)定的康復(fù)方式使用戶參與到手部康復(fù)的訓(xùn)練中。通過簡潔友好的人機(jī)界面，用戶可以與機(jī)器人進(jìn)行有效的人機(jī)交互，大大增強(qiáng)了用戶本身對(duì)于康復(fù)訓(xùn)練的參與程度，在有趣的游戲中，用戶的康復(fù)訓(xùn)練得到實(shí)施，相關(guān)數(shù)據(jù)將通過系統(tǒng)進(jìn)行分析，得出患者當(dāng)前的康復(fù)狀態(tài)。

附圖說明

圖一為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖二為本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)軟件平臺(tái)功能模塊示意圖；

圖三為本發(fā)明實(shí)施例的gui系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)闡述。

如圖1所示，本發(fā)明的基于arm和linux操作系統(tǒng)的手部康復(fù)外骨骼人機(jī)交互系統(tǒng)包括硬件平臺(tái)、關(guān)節(jié)力矩傳感器、關(guān)節(jié)角度傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和外骨骼機(jī)械手，其中硬件平臺(tái)作為一個(gè)通用的控制平臺(tái)，用于處理康復(fù)外骨骼機(jī)械手的實(shí)現(xiàn)，包括系統(tǒng)平臺(tái)、供電電源管理模塊、電機(jī)控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊，硬件平臺(tái)采用功能模塊化的方法，通過電機(jī)控制模塊的電機(jī)控制信號(hào)輸出端與電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的電機(jī)控制信號(hào)輸入端連接，其核心是基于串行外設(shè)接口（spi）總線的數(shù)據(jù)采集模塊和電機(jī)控制模塊。

統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)，包括件平臺(tái)和led觸摸屏，數(shù)據(jù)采集模塊和電機(jī)控制模塊都掛接到數(shù)處理器的串行外設(shè)接口（spi）總線上，結(jié)合硬件平臺(tái)，軟件平臺(tái)采用分級(jí)并行競爭控制結(jié)構(gòu)，包括驅(qū)動(dòng)程序、界面顯示模塊（gui系統(tǒng)）、控制程序和應(yīng)用程序接口（api），api函數(shù)在開發(fā)的驅(qū)動(dòng)程序的基礎(chǔ)上將對(duì)外設(shè)的操作函數(shù)化提供給控制程序使用，所述控制程序包括主控制程序和控制子程序，其中主控制程序完成整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行和監(jiān)控，控制子程序完成康復(fù)機(jī)械手的傳感數(shù)據(jù)處理、控制策略實(shí)施和具體控制方法的實(shí)現(xiàn)，圖形用戶界面建立人機(jī)交互系統(tǒng)，通過調(diào)用控制子程序?qū)崿F(xiàn)康復(fù)機(jī)械手多種康復(fù)模式的選擇、參數(shù)設(shè)定和具體康復(fù)過程的實(shí)現(xiàn)。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊用于驅(qū)動(dòng)外骨骼機(jī)械手工作，關(guān)節(jié)力矩傳感器用于采集外骨骼機(jī)械手關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，將采集到外骨骼關(guān)節(jié)的力矩信息通過信號(hào)調(diào)理電路將信息傳給數(shù)據(jù)采集模塊，關(guān)節(jié)力矩傳感器的信號(hào)調(diào)理電路為兩個(gè)應(yīng)變片組成半橋電路，經(jīng)過放大電路得到所需信號(hào)，并傳輸給數(shù)據(jù)采集模塊。關(guān)節(jié)力矩傳感器為基于應(yīng)變測量原理設(shè)計(jì)的應(yīng)變式傳感器，其特征在于傳感器的彈性體和康復(fù)機(jī)械手的機(jī)構(gòu)本體融合在一起，彈性體是懸臂梁結(jié)構(gòu)，由硬鋁za12制成。

關(guān)節(jié)角度傳感器用于采集外骨骼機(jī)械手關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，將采集到的外骨骼關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度信息通過信號(hào)調(diào)理電路將信息傳給數(shù)據(jù)采集模塊。關(guān)節(jié)角度傳感器采用雙軸霍爾傳感器2d-vh-11，永久磁鐵產(chǎn)生的磁場平行于2d-vh-11的表面，通過調(diào)理電路將外骨骼關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)采集模塊。

人機(jī)交互界面（gui系統(tǒng)）主界面共有4個(gè)主要功能：康復(fù)訓(xùn)練、系統(tǒng)設(shè)置、娛樂和幫助?？祻?fù)訓(xùn)練和系統(tǒng)設(shè)置為系統(tǒng)的主要功能模塊。康復(fù)訓(xùn)練功能系統(tǒng)提供了兩種康復(fù)模式，cpm模式和h-cpm模式，用戶可以自由選擇。其中，cpm模式下有兩種康復(fù)訓(xùn)練：彎曲和擺動(dòng)。彎曲和擺動(dòng)康復(fù)非常相像，只是針對(duì)的康復(fù)對(duì)象不同。在界面設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)中，體現(xiàn)了協(xié)調(diào)一致的特點(diǎn)，彎曲和擺動(dòng)的界面風(fēng)格、用戶交互方式都具有良好的一致性。開始康復(fù)訓(xùn)練前首先要進(jìn)行“快速調(diào)整”，可以通過界面提供的手指選擇按鈕和列表框選擇要康復(fù)的手指關(guān)節(jié)，并通過操作“開始”、“換向”和“停止”按鈕，完成康復(fù)前關(guān)節(jié)位置的設(shè)定。接著進(jìn)行“康復(fù)訓(xùn)練”，根據(jù)界面提示，設(shè)置好“康復(fù)時(shí)間”和“康復(fù)周期”，點(diǎn)擊“開始”按鈕，這樣所有調(diào)整過的電機(jī)就同時(shí)運(yùn)行，并在半個(gè)康復(fù)周期時(shí)自動(dòng)換向，直至康復(fù)時(shí)間到或者電機(jī)緊急停止。這種康復(fù)訓(xùn)練既可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)手指多關(guān)節(jié)的彎曲康復(fù)訓(xùn)練，也可以實(shí)現(xiàn)手指的擺動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練。half-cpm康復(fù)方式特征在于康復(fù)機(jī)械手的系統(tǒng)中增加一個(gè)健康人手加數(shù)據(jù)手套，通過健康人手的動(dòng)作控制患指的康復(fù)運(yùn)動(dòng)，患者能夠根據(jù)自身的感覺來調(diào)控患指連續(xù)被動(dòng)活動(dòng)的速度和范圍，從而增加了患者在康復(fù)運(yùn)動(dòng)中的自主性和主觀能動(dòng)性。h-cpm與cpm不同的是在選擇所要進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的手指和關(guān)節(jié)后，可以根據(jù)用戶的需求，通過調(diào)節(jié)滑塊設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并可以實(shí)時(shí)修改電機(jī)轉(zhuǎn)速。在到達(dá)手指活動(dòng)的某一極限位置的時(shí)候，用戶可以通過點(diǎn)擊“換向”按鈕手動(dòng)換向。用戶自己控制康復(fù)時(shí)間和康復(fù)周期，無需通過程序設(shè)定。系統(tǒng)設(shè)置完成兩個(gè)主要任務(wù)：其一是對(duì)康復(fù)訓(xùn)練過程中康復(fù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；其二是對(duì)康復(fù)過程中保存的關(guān)節(jié)力／位信息轉(zhuǎn)存到u盤。

人機(jī)交互界面（gui系統(tǒng)）主界面包括基并行競爭控制，該控制結(jié)構(gòu)中低級(jí)模式受高級(jí)模式的制約。如果高級(jí)模式未被激活，則系統(tǒng)采用已被激活的低一級(jí)模式；如果高級(jí)模式已被激活，則其輸出抑制低級(jí)模式的輸出，高級(jí)模式接管控制系統(tǒng)，直到其對(duì)應(yīng)的信息輸入復(fù)原或被更高級(jí)的模式所抑制。按照系統(tǒng)優(yōu)先級(jí)從高到低的次序：

模式0——緊急模式：用于電源電壓超限、康復(fù)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)受阻和急停按鈕人工停車等。此時(shí)系統(tǒng)gui給出圖形文字報(bào)警，屏蔽所有低級(jí)模式。

模式1——手動(dòng)模式：用于手動(dòng)控制。

模式2——程控模式：由人機(jī)界面對(duì)康復(fù)任務(wù)和參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，自主的完成康復(fù)過程。

系統(tǒng)設(shè)置主要實(shí)現(xiàn)如下功能：數(shù)據(jù)采集模塊的加載和卸載、安全力矩的設(shè)置、采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)存。通過界面設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，這樣在康復(fù)訓(xùn)練開始的時(shí)候就會(huì)自動(dòng)加載或卸載數(shù)據(jù)采集模塊。若選擇數(shù)據(jù)采集，在康復(fù)過程中采集的的最大力矩大于安全力矩，康復(fù)運(yùn)動(dòng)就會(huì)自動(dòng)結(jié)束，對(duì)患者的手指關(guān)節(jié)起到保護(hù)作用。

文件拷貝功能可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)掛載u盤；當(dāng)文件拷貝完畢后，系統(tǒng)自動(dòng)卸載u盤。用戶只要按照提示操作即可完成文件拷貝。

以上的實(shí)施說明及附圖所示，為本發(fā)明較佳實(shí)施例之一，并非以此局限本發(fā)明，是以，舉凡與本發(fā)明的構(gòu)造、裝置、特征等近似、雷同者，均應(yīng)屬本發(fā)明的創(chuàng)設(shè)目的及申請(qǐng)專利范圍之內(nèi)。