[发明专利]可调控末端指尖力的自适应冗余驱动外骨骼康复机器人

权利要求书

1.可调控末端指尖力的自适应冗余驱动外骨骼康复机器人，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和控制模块；

所述手指连杆机构由单独的第一舵机驱动，所述手指连杆机构具有多个关节，每个关节由单独的第二舵机驱动；所述手指连杆机构的指尖位置设有压力传感器，用于检测与物体交互时的指尖力；

所述控制模块接收指尖力，被配置为根据指尖力和指尖力的施加时间调整训练模式，在训练模式下根据预设训练动作确定指尖目标位置；根据当前运动到达的位置和手指连杆机构的关节角度得到指尖当前位置，根据指尖当前位置和指尖目标位置得到目标指尖力，并形成控制指令，以驱动第一舵机和第二舵机动作；

所述手指连杆机构具有四个自由度，包括手指底部连杆、近端指间连杆、远端指间连杆和指尖连杆；

所述手指底部连杆通过连接第一舵机设于掌背平台上；

所述手指底部连杆与近端指间连杆通过第二舵机连接，实现近端指间关节的弯曲伸展功能；

所述近端指间连杆与远端指间连杆通过第二舵机连接，产生一个水平面内的旋转自由度，实现手指的打开与并拢；

所述远端指间连杆与指尖连杆通过锥齿轮模块连接，实现远端指尖关节的弯曲；

所述指尖连杆上设有压力传感器；

所述锥齿轮模块用于改变远端指尖连杆处的第二舵机的旋转方向，所述锥齿轮模块包括：锥齿轮、滚动轴承、连接单元和止动螺丝型紧锁环；

所述锥齿轮通过连接单元与远端指尖连杆处的第二舵机连接，所述锥齿轮通过止动螺丝型紧锁环固定，锥齿轮用于改变远端指尖连杆处的第二舵机的旋转方向；所述滚动轴承设在锥齿轮与连接单元之间，用于缓冲运动过程中的侧向压力，使锥齿轮在轴心处旋转；

在所述控制模块中，根据训练动作确定指尖目标位置包括，根据训练动作估计指尖空间坐标，将指尖空间坐标转换为连杆空间运动向量，建立手指运动向量与连杆运动向量间的关系，确定指尖目标位置后形成控制指令，控制舵机的转矩和转速，以驱动舵机使得指尖到达指尖目标位置；

首先建立基准坐标系，指尖在基准坐标系中的坐标为点T(x,y,z)，将指尖空间坐标用连杆空间运动向量表示，建立指尖空间坐标与连杆空间运动向量之间的函数关系为：

Tx＝l₁cosθ₁+l₂cos(θ₁+α)+l₃+l₅cosθ₃+l₆(-sinβsin(θ₁+θ₂+α)+cosβcos(θ₁+θ₂+α)cosθ₃)+l₇(-sin(β+θ₄)sin(θ₁+θ₂+α)+cos(β+θ₄)cos(θ₁+θ₂+α)cosθ₃)    (1)

T_y＝-(l₅+l₆cosβ)sinθ₃+l₇cos(β+θ₄)                (2)

Tz＝l₁sinθ₁+l₂sin(θ₁+α)+l₄+l₆(-sinβcos(θ₁+θ₂+α)+cosβsin(θ₁+θ₂+α)cosθ₃)+l₇(-sin(β+θ₄)cos(θ₁+θ₂+α)+cos(β+θ₄)sin(θ₁+θ₂+α)cosθ₃)    (3)

其中，Tx、Ty、Tz分别为在基准坐标系中x、y、z方向的坐标分量；

l₁为参考坐标系的坐标原点与第一舵机连杆端点之间的固定长度，l₂为手指底部连杆固定长度，l₃为近端指尖连杆固定长度，l₄为l₃与l₅之间的垂直距离，l₅为手指中部连杆固定长度，l₆为远端指尖连杆固定长度，l₇为指尖连杆固定长度；

α为l₁与l₂之间的夹角的补角，β为l₅与l₆之间的夹角的补角；

θ₁为第一舵机的旋转角度，θ₂为手指底部连杆与近端指间连杆之间的第二舵机的旋转角度，θ₃为近端指间连杆与远端指间连杆之间的第二舵机的旋转角度，θ₄为远端指尖连杆处的第二舵机的旋转角度。