专利名称：抑制手部震颤的助餐机器人的制作方法
技术领域：
抑制手部震颤的助餐机器人技术领域:本实用新型涉及一种抑制手部震颤的助餐机器人。
背景技术：
:通常人体的某部位发生非意愿颤动的现象，医学上称之为“震颤”。震颤是一种不自主的、有规律性的、近似正弦往复摆动的肢体运动，常见于人的四肢和头部，是最常见的神经科疾病症状之一，如原发性震颤(ET)、帕金森病(PD)等。原发性震颤(essentialtremor，ET)是一种常见的运动障碍，常有家族聚集现象，任何年龄均可发病，平均起病年龄45岁左右。近年来发病率呈上升趋势的帕金森病，除了肢体震颤外，还伴有肌僵直和运动减退等症状。肢体震颤按病因分为生理性震颤和病理性震颤两类。生理性震颤是人体的一种固有震颤，所有人的肢体都具有这种现象，只是强弱不同而已；病理性震颤是由于人体的病变而带来的一种震颤，如帕金森综合症和小脑病变等，给众多患者的日常生活带来了极大不便，甚至使患者的生活不能自理。医学界对震颤发生机理及其药物治疗已开展了几十年的研究，至今还没有治疗震颤非常有效的方法。肢体震颤特别是手臂，影响精细动作、日常饮食和书写，严重时给患者的日常生活带来诸多不便。近几年国内外科研人员尝试通过“非药物”途径，综合利用机器人技术研制和开发震颤抑制康复装置，帮助肢体震颤患者克服运动障碍，恢复生活自理能力，已初步得到了医学界和肢体震颤患者的认可。利用机器人技术的抑震康复装置采用两种抑震方法:一种是“被动”震颤抑制控制方法，主要是通过连续调节机器人系统的关节阻尼和惯量系数，进而改变整个人机系统的生物力学特性，达到减弱肢体震颤运动的目的；另一种是“主动”震颤抑制控制方法，主要是通过实时预估肢体震颤运动信号，控制抑震装置产生与震颤运动方向相反的运动，达到抵消肢体震颤运动的目的。目前应用较广的助餐机器人是英国的Handyl,日本Secom公司的“My spoon”等。Handyl是目前世界上最成功的一种助餐机器人，它具有5个自由度和带有手爪的机器手臂，手臂可灵活地从进餐托盘的7个格子中取餐。“My Spoon”仅需少量操纵杆操作和按钮操作便可将食物送至嘴边，然后按照用餐者的进食快慢来辅助就餐。美国专利《SELF-FEEDINGAPPLIANCE》(US4398857)公开了一种自主助餐器具，使用对象为双臂残疾人。以上这几种助餐机器人均是为先天性身体残疾、脊髓损伤、肌肉萎缩症疾病的患者研制和使用的。目前还没有一种专门为抑制原发性震颤、帕金森氏震颤患者用餐时手部震颤的助餐机器人。实用新型内容:本实用新型的目的是提供一种抑制手部震颤的助餐机器人，结构简单、操作方便，解决了震颤患者日常饮食上的不便，提高了患者的日常生活质量。上述的目的通过以下的技术方案实现:一种抑制手部震颤的助餐机器人，其组成包括:机座，控制系统安装在所述的机座上，所述的控制系统与操作臂A通过肩关节与操作臂B连接，所述的肩关节与安装有编码器A的伺服电机A连接，所述的操作臂B通过肘关节与操作臂C连接，所述的操作臂C与安装有编码器B的伺服电机B连接，所述的操作臂C通过仰俯关节与操作臂D连接，所述的操作臂D与回转关节连接，所述的回转关节上安装有勺子，所述的勺子的勺把上安装有三维力传感器，所述的三维力传感器通过RS485通信接口与所述的控制系统连接。所述的抑制手部震颤的助餐机器人，所述的俯仰关节、所述的回转关节均安装回转限位挡块，限定所述的勺子的俯仰角度93为-45° ^45°，限定所述的勺子的回转角度04为_ 30° 30°，在所述的俯仰关节上安装有双向旋转阻尼器。所述的抑制手部震颤的助餐机器人，所述的控制系统包括上位机，所述的上位机与单片机连接，所述的单片机与肩关节驱动回路、肘关节驱动回路连接，所述的肩关节驱动回路与所述的肩关节连接，所述的肘关节驱动回路与所述的肘关节连接。所述的抑制手部震颤的助餐机器人，所述的单片机与所述的肩关节驱动回路的伺服驱动器A、所述的肘关节驱动回路的伺服驱动器B连接，所述的伺服驱动器A通过位置控制器A、速度控制器A与所述的伺服电机A连接，所述的伺服电机A与所述的编码器A连接，所述的编码器A与所述的单片机连接；所述的伺服驱动器B通过位置控制器B、速度控制器B与伺服电机B连接，所述的伺服电机B与所述的编码器B连接，所述的编码器B与所述的单片机连接。有益效果:1.本实用新型在助餐机器人的末端勺柄上安装有三维力传感器，通过该力传感器感知进餐者的手部意向运动，控制系统根据提取的意向力信号，来控制助餐机器人的肩、肘关节运动，从而约束该机器人末端勺子的运动速度和运动轨迹，达到抑制患者进餐时手部震颤的目的。2.本实用新型基于人机合作机器人的思想，借助计算机控制，由助餐机器人对用餐时的手部轨迹进行约束控制，来抑制震颤患者的手部震颤。机器人末端勺柄上安装有三维力传感器，用来检测进餐者的手部运动，控制系统根据提取的手部意向信号的大小，控制助餐机器人的肩、肘关节以快、中、慢三种不同的关节转速，实现助餐机器人的速度约束控制和轨迹约束控制。这样既抑制了震颤患者用餐时手部的震颤运动，又尽可能地减小抑震对人体意向运动的影响。3.本实用新型的勺子的俯仰关节、回转关节由进餐者控制，人与机器人合作共同完成了进餐过程。在俯仰关节处安装有双向旋转阻尼器，目的是抑制手臂震颤可能对勺子俯仰运动的影响，使勺子的俯仰缓速柔和；在勺子的俯仰关节和回转关节处均安装回转限位挡块，限定勺子的俯仰角度和回转角度，以满足进餐的需要。4.本实用新型在震颤患者用餐时，助餐机器人安放在餐桌上进餐者的对面，其末端勺子放在餐盘的正上方，餐盘放在进餐者的正前方。根据正常人进餐的快慢不同，控制系统按力传感器测得的意向力信号的大小，控制助餐机器人实现快、中、慢三种不同的进餐速度，解决了震颤患者日常饮食上的不便，提高了患者的日常生活质量。
:附图1是本实用新型的结构示意图。附图2是附图1中控制系统的原理框图。附图3是附图2中肩关 节驱动回路的原理框图。附图4是附图2中肘关节驱动回路的原理框图。[0025]附图5是附图1中餐盘的四个分区的示意图。
具体实施方式
:实施例1:一种抑制手部震颤的助餐机器人，其组成包括:机座1，控制系统2安装在所述的机座上，所述的控制系统与操作臂A28通过肩关节5与操作臂B29连接，所述的肩关节与安装有编码器A3的伺服电机A4连接，所述的操作臂B通过肘关节8与操作臂C30连接，所述的操作臂C与安装有编码器B6的伺服电机B7连接，所述的操作臂C通过仰俯关节10与操作臂D31连接，所述的操作臂D与回转关节11连接，所述的回转关节上安装有勺子12，所述的勺子的勺把上安装有三维力传感器13，所述的三维力传感器通过RS485通信接口与所述的控制系统连接。所述的单片机可以选用AVR8535单片机。肩关节由伺服电机A驱动，其转速Ii1、转角Θ i由编码器A检测，肘关节由伺服电机B驱动，其转速112、转角92由编码器B检测，三维力传感器用来检测进餐者的手部运动，控制系统根据提取的手部意向信号，控制肩关节、肘关节运动，约束机器人末端勺子的运动速度和运动轨迹，达到抑制患者进餐时手部震颤的目的。实施例2:上述的抑制手部震颤的助餐机器人，所述的俯仰关节、所述的回转关节均安装回转限位挡块，限定所述的勺子的俯仰角度93为-45° ^45°，限定所述的勺子的回转角度04为_ 30° ^30°，在所述的俯仰关节上安装有双向旋转阻尼器9。实施例3:上述的抑制手部震颤的助餐机器人，所述的控制系统如附图2所示，包括上位机，所述的上位机与单片机连接，所述的单片机与肩关节驱动回路23、肘关节驱动回路25连接，所述的肩关节驱动回路与所述的肩关节连接，所述的肘关节驱动回路与所述的肘关节连接。实施例4:上述的抑制手部震颤的助餐机器人，所述的单片机与所述的肩关节驱动回路的伺服驱动器A、所述的肘关节驱动回路的伺服驱动器B连接，所述的伺服驱动器A通过位置控制器A26、速度控制器A27控制伺服电机A运动，所述的伺服电机A与所述的编码器A连接，所述的编码器A与所述的单片机连接；所述的伺服驱动器B通过位置控制器B32、速度控制器B33控制伺服电机B运动，所述的伺服电机B与所述的编码器B连接，所述的编码器B与所述的单片机连接。实施例5:上述的抑制手部震颤的助餐机器人的抑震控制方法，三维力传感器检测到用餐者16的手部运动，控制系统的上位机采集所述的三维力传感器的测量信号，经过实时滤波后，得到所述的进餐者的意向运动信号；根据该意向运动信号，所述的上位机经过计算将速度指令信号、位置指令信号传递给单片机；所述的单片机向伺服驱动器A、伺服驱动器B发送指令信号，分别控制肩关节驱动回路、肘关节驱动回路，使得肩关节、肘关节运动；在运动过程中，由所述的进餐者控制俯仰关节、 回转关节的运动。所述的单片机可以选用AVR8535单片机。[0040]用餐时助餐机器人安放在餐桌14上，进餐者的对面，并且末端勺子位于餐盘15的正上方，餐盘放在餐桌上进餐者的正前方。肩关节由伺服电机A驱动，其转速Ii1、转角Θ i由编码器A检测，肘关节由伺服电机B驱动，其转速112、转角92由编码器B检测，三维力传感器用来检测进餐者的手部运动，控制系统根据提取的手部意向信号，控制肩关节、肘关节运动，约束机器人末端勺子的运动速度和运动轨迹，达到抑制患者进餐时手部震颤的目的。实施例6:上述的抑制手部震颤的助餐机器人的抑震控制方法，所述的单片机向所述的伺服驱动器A、所述的伺服驱动器B发指令信号，所述的伺服驱动器A将位置指令传递给位置控制器A、所述的位置控制器 A将速度指令传递给速度控制器A，所述的速度控制器A将信号传递给伺服电机A，所述的伺服电机A控制所述的肩关节运动，此时，与所述的伺服电机连接的编码器A对转速信号、转角信号进行检测，然后分别传递给所述的速度控制器A、所述的单片机。实施例7:上述的抑制手部震颤的助餐机器人的抑震控制方法，所述的伺服驱动器B将位置指令传递给位置控制器B、所述的位置控制器B将速度指令传递给速度控制器B，所述的速度控制器B将信号传递给伺服电机B，所述的伺服电机B控制所述的肘关节运动，此时，与所述的伺服电机连接的编码器B对转速信号、转角信号进行检测，然后分别传递给所述的速度控制器B、所述的单片机。实施例8:上述的抑制手部震颤的助餐机器人的抑震控制方法，所述的俯仰关节、所述的回转关节均安装回转限位挡块，限定所述的勺子的俯仰角度03为-45° ^45°，限定所述的勺子的回转角度94为-30° ^30°，在所述的俯仰关节上安装有双向旋转阻尼器。实施例9:上述的抑制手部震颤的助餐机器人的抑震控制方法，如附图1所示，用餐开始前，机器人末端勺子位于起始位置A点，餐盘位于B点，进餐者的嘴部在C点，定义虚拟平面17为过A、B、C三点的平面。用餐开始后，机器人末端勺子由A B点或由C B点为取餐过程，由B C点为送餐过程。控制系统控制机器人末端勺子由A B点或由C A点为虚拟平面内的直线轨迹，由B C点或由C B点为虚拟平面内的圆弧轨迹。实施例10:上述的抑制手部震颤的助餐机器人的抑震控制方法，控制系统提取意向运动信号后，控制机器人末端勺子开始由A B点的取餐运动，在运动过程中伴有由进餐者控制的俯仰关节、回转关节的运动；取餐完成后，控制系统根据意向信号控制机器人末端勺子开始由B C点的送餐运动，送餐到C点后，进餐者开始进餐；接着控制系统控制末端勺子由C B点的取餐运动，取餐后，控制末端勺子由B C点的送餐运动；用餐结束时，控制末端勺子由C A点，达到A点后，助餐机器人停止运动。实施例11:上述的抑制手部震颤的助餐机器人的抑震控制方法，如附图5所示，餐盘可选用有四个分区B1、B2、B3和B4的餐盘，此时餐盘可以手动转位。进餐开始前，可将餐盘的BI放在助餐机器人的末端勺子的正下方，进餐者的正前方。进餐开始后，进餐者可以转动餐盘，分别将B2、B3或B4转位到自己的正前方，这样进餐者就可以吃到几种不同的饭菜。
权利要求1.一种抑制手部震颤的助餐机器人，其组成包括:机座，其特征是:控制系统安装在所述的机座上，所述的控制系统与操作臂A通过肩关节与操作臂B连接，所述的肩关节与安装有编码器A的伺服电机A连接，所述的操作臂B通过肘关节与操作臂C连接，所述的操作臂C与安装有编码器B的伺服电机B连接，所述的操作臂C通过仰俯关节与操作臂D连接，所述的操作臂D与回转关节连接，所述的回转关节上安装有勺子，所述的勺子的勺把上安装有三维力传感器，所述的三维力传感器通过RS485通信接口与所述的控制系统连接。
2.根据权利要求1所述的抑制手部震颤的助餐机器人，其特征是:所述的俯仰关节、所述的回转关节均安装回转限位挡块，限定所述的勺子的俯仰角度03为-45° ~45°，限定所述的勺子的回转角度94为-30° ~30°，在所述的俯仰关节上安装有双向旋转阻尼器。
3.根据权利要求1或2所述的抑制手部震颤的助餐机器人，其特征是:所述的控制系统包括上位机，所述的上位机与单片机连接，所述的单片机与肩关节驱动回路、肘关节驱动回路连接，所述的肩关节驱动回路与所述的肩关节连接，所述的肘关节驱动回路与所述的肘关节连接。
4.根据权利要求1或2所述的抑制手部震颤的助餐机器人，其特征是:所述的单片机与所述的肩关节驱动回路的伺服驱动器A、所述的肘关节驱动回路的伺服驱动器B连接，所述的伺服驱动器A通过位置控制器A、速度控制器A与所述的伺服电机A连接，所述的伺服电机A与所述的编码器A连接，所述的编码器A与所述的单片机连接；所述的伺服驱动器B通过位置控制器B、速度控制器B与伺服电机B连接，所述的伺服电机B与所述的编码器B连接，所述的编码器B与所述的单片机连接。
专利摘要抑制手部震颤的助餐机器人。目前还没有一种专门为震颤患者用餐时手部震颤的助餐机器人。本实用新型组成包括机座(1)，控制系统(2)安装在机座上，控制系统与操作臂A(28)通过肩关节(5)与操作臂B(29)连接，肩关节与安装有编码器A(3)的伺服电机A(4)连接，操作臂B通过肘关节(8)与操作臂C(30)连接，操作臂C与安装有编码器B(6)的伺服电机B(7)连接，操作臂C通过仰俯关节(10)与操作臂D(31)连接，操作臂D与回转关节(11)连接，回转关节上安装有勺子(12)，勺子的勺把上安装有三维力传感器(13)，三维力传感器通过RS485通信接口与控制系统连接。本实用新型用于抑制震颤患者用餐时手部的震颤。
文档编号B25J13/08GK202943642SQ20122066984
公开日2013年5月22日 申请日期2012年12月7日 优先权日2012年12月7日
发明者董玉红, 赵广志 申请人:哈尔滨理工大学