技术领域
[0001] 本
发明属于医疗机器人领域、实验机器人领域，具体是指一种用于模仿人体手臂震颤运动的三自由度全驱动仿真机器人平台。
背景技术
[0002] 震颤是一种不自主的、有节律性的、近似正弦往返摆动的肢体运动。40岁以上的中老年人有5%的人患有震颤
疾病，特别是帕金森氏病，为近一二十年发病率呈上升趋势的常见病，患病率每10万人西方106-307人，亚洲为44-82人，非洲31-58人，60岁以上人群中PD的患病率约达1%。震颤常见与人的肢体特别是手臂，影响精细动作、书写和餐饮，严重时可对病人的日常生活、工作、社会交往等带来诸多不便。尽管目前国内外很多研究机构对震颤研究很多年，但总的来说，存在如下问题：1. 由于目前震颤的机理和起源至今尚未明确，对于震颤的
治疗大多采用探索性方式，无法从根本上治愈；2.各种治疗药物虽能使震颤患者的临床症状在一定时间内获得一定程度的好转，但均不能阻止本病的自然进展，且各种药物都有不同程度的副反应，因而限制了其自身在临床上的应用；3.目前，一些较为先进的疗法尚处于研究阶段，虽然实验证明能较明显的提高该病的临床缓解率，减少了
副作用，但也存在价格昂贵、远期疗效尚难肯定等问题。
[0003] 研究表明，除了常规药物治疗之外，
生物力加载（biomechanical loading）、功能性神经肌肉刺激（Functional neuromuscular stimulations, FNS）技术以及康复训练等是抑制震颤运动的有效措施。基于生物力加载的震颤抑制措施是通过控制外部负载增加患者手臂阻尼和惯量，达到消除或者抑制震颤的目的。
[0004] 从非药理学的
角度开展的震颤抑制措施的研究主要集中在震颤运动的“表象”——震颤
信号。出于安全性和震颤抑制策略的实验要求考虑，这里需要设计一种可以模拟人体手臂震颤运动的机器人装置，用于模拟手臂震颤运动。设计这种装置的目的和优点在于：1）通过控制
电机的转速，可以调节假肢手臂的震颤幅度和
频率，模拟任意频率的震颤运动；2）通过外加震颤抑制信号，可以改变假肢手臂的震颤幅度和频率，以验证震颤抑制措施的有效性和安全性，有效的解决由于安全和技术原因无法多次在真实的震颤患者身上验证震颤策略的问题。
[0005] James Z,Zhang，在“Detection of Involuntary Human Hand Motions Using Empirical Mode Decomposition and Hilbert – Huang Transform”文章中，设计一种两自由度的手臂震颤模拟平台，主要有三部分组成：震颤模拟发生器，
传感器接口和
数据采集装置。震颤模拟发生器用于产生手臂震颤信号，并且用一个3轴
加速度传感器网络。为了仿真手臂的震颤运动，这种装配主要利用安装在手臂旁边的推式电磁
铁来模拟震颤运动。但是，由于设计上的
缺陷，这种手臂震颤模拟平台存在如下缺点：1）只能模仿两个方向的手臂震颤运动，对震颤运动的分析工作不完善；2）由于仅安装了加速度传感器来采集运动信号，导致震颤运动信号的表现特征过于单一。
[0006]
申请者在“基于
外骨骼机器人技术的人体手臂震颤抑制关键技术研究”一文中，设计了一种可以模拟人体震颤运动的机器人装置。该平台可以实现两自由度的手臂运动，可以产生频率1-20HZ的震颤运动。这种平台的优点在于：通过控制电机的转速，可以调节假肢手臂的震颤幅度和频率，模拟任意频率的震颤运动。但是，由于机械装置设置上的局限性，这个平台只能模仿前臂上下运动和前臂的旋内/外运动。这导致其对震颤运动的仿真不完善。
发明内容
[0007] 针对现有“非药理学”手臂震颤抑制策略的存在的问题和不足，本发明公开一种三自由度人体手臂震颤信号仿真机器人，在某一种震颤抑制策略进行人体实验时，首先在该机器人上进行仿真实验，既能验证该方法的正确性，又能提高该方法的安全性，解决了进行震颤抑制策略验证时需要多次采集震颤患者手臂震颤信号的问题，大大缩短了新方法的研究
进程。
[0008] 本发明的技术方案是：一种三自由度人体手臂震颤运动仿真机器人，包括手臂震颤模拟系统、震颤激励系统、震颤
运动检测系统、
信号处理与控制系统；手臂震颤模拟系统包括
工作台、设于工作台上的假肢手臂、前臂内外扭转机构、前臂上下运动机构和前臂
旋转机构；震颤激励系统包括用于实现前臂内外扭转运动的直流电机系统A，用于实现前臂上下运动的直流电机系统B和用于实现前臂旋转运动的直流电机系统C；震颤运动检测系统包括三维加速度传感器和假肢手臂惯性传感器单元，分别安装在假肢的
手指和上臂；信号处理与控制系统固定在工作台上；所述假肢手臂通过刚性连接构件与震颤激励系统连接；所述直流电机系统A包括假肢手臂内/外扭转运动直流电机和假肢手臂内/外扭转运动直流电机减速系统；所述直流电机系统B包括假肢手臂上/下运动直流电机和假肢手臂上/下运动直流电机减速系统；所述直流电机系统C包括假肢手臂旋转运动直流电机和假肢手臂旋转运动直流电机减速系统。
[0009] 所述刚性连接构件包括刚性连接构件A、刚性连接构件B和刚性连接构件C。
[0010] 所述前臂内外扭转机构包括刚性固定装置C，
曲柄滑
块机构，刚性固定构件A，刚性连接构件D；所述假肢手臂内/外扭转运动直流电机和假肢手臂内/外扭转运动直流电机减速系统通过刚性固定装置C与工作台固定，通过曲柄滑块机构，刚性连接构件C和刚性连接构件B与假肢手臂相连接；前臂上下运动机构包括
凸轮机构，刚性固定装置B和刚性连接装置，所述假肢手臂上/下运动直流电机和假肢手臂上/下运动直流电机减速系统通过凸轮机构和刚性连接构件B与假肢手臂相连接，通过刚性固定装置B与工作台固定；前臂旋转机构包括用于与假肢连接的刚性连接构件A，前臂旋转机构通过上、下
铰链和
轴承座与工作台连接在一起；所述假肢手臂旋转运动直流电机和假肢手臂旋转运动直流电机减速系统设于刚性连接构件A 中，电机的旋转直接实现假肢手臂的旋转运动。
[0011] 所述的震颤运动检测系统还包括假肢手臂内/外扭转运动直流电机
编码器、假肢手臂上/下运动直流电机编码器和假肢手臂旋转运动直流电机编码器，分别用于测量假肢手臂内/外扭转运动电机、假肢手臂上/下运动电机和假肢手臂旋转运动电机的实际转动
位置；
[0012] 所述假肢手臂惯性传感器单元，由倾角仪、
陀螺仪、加速度传感器组成，通过柔性连接装置固定在假肢手臂处，用来获取：a）手臂上下运动的位移、速度和线加速度；b）手臂旋内/外运动的
角位移、
角速度和线加速度；c）手臂左右运动的位移、速度和线加速度；
[0013] 所述三维加速度传感器由假肢食指三维加速度传感器、假肢中指三维加速度传感器和假肢无名指三维加速度传感器构成，分别用于测量食指、中指和无名指的三维加速度值。
[0014] 所述信号处理与控制系统包括信号处理系统、信号控制系统、执行系统以及PC级计算机控制系统。
[0015] 所述信号处理系统是以TMS320VC5402为核心的16位DSP信号处理系统，通过GPIO口实时采集假肢指端三维加速度传感器和假肢手臂惯性传感器单元的信息；
[0016] 所述信号控制系统是以Intel PXA270为核心的32位ARM10
微处理器信号控制系统；
[0017] 所述执行系统用于执行信号控制系统产生的电机控制命令，电机控制利用SOFTING公司的CAN通信卡与FAULHABER MCBL 3003 S/C电机
驱动器进行通信，分别控制前臂内外扭转运动直流电机、前臂上下运动直流电机和前臂旋转运动直流电机；
[0018] 所述PC级计算机控制系统，采用MATLAB/SIMULINK以及DSPACE公司的DSPACE1104在线仿真控制系统，与信号控制系统进行通信。
[0019] 所述的前臂内外扭转运动直流电机、前臂上下运动直流电机和前臂旋转运动直流电机，均采用FAULHABER公司的2036U036B直流无刷电机；所述的前臂内外扭转运动直流电机减速系统，前臂上下运动直流电机减速系统，前臂旋转运动直流电机减速系统均采用Harmonic减速器CSD-14-100-2UH。
[0020] 本发明的有益效果：
[0021] 其一，结构简单、仿真程度较高。本发明采用集成化结构，机械装置、驱动系统、
控制器等都固定在一块工作台上，体积较小，便于移动；手臂震颤模拟系统可以实现假肢前臂内/外扭转运动，用于实现假肢前臂上/下运动，用于实现假肢前臂旋转运动的，机构“拟人化”程度高。
[0022] 其二，震颤激励系统采用体积小、
质量轻、性能优良的FAULHABER公司的直流无刷电机2036U036B和新型减速装置CSD-14-100-2UH，整体系统满足“便携式”要求。
[0023] 其三，安装的传感器，能够实现多种信息的检测，震颤运动检测功能比较全面。震颤运动检测系统既能检测假肢手臂运动的位移、角位移、速度、角速度、线加速度和
角加速度等信息，也能检测食指、中指、无名指的三维加速度信息，为震颤运动信号的仿真提供了充分的信息。
[0024] 其四，操作方面、安全可靠。三自由度人体手臂震颤信号仿真机器人操作简单，只需要事先将采集到人体手臂震颤信号输入到PC机中即可；另外，在机械结构方面，采用的都是简单成熟的机构，安全可靠性较高；在控制上设计“安全预警系统”，确保震颤运动抑制的安全性和可靠性。
[0025] 其五，设计思路新颖、应用前景广泛。三自由度人体手臂震颤信号仿真机器人提出利用机器人模仿人体手臂震颤的思路，可以推广到人体其他部位震颤的研究，对“非药理学”震颤抑制的研究具有一定的参考价值。
[0026] 其六，本发明针对震颤抑制策略在研制和验证阶段在人体实验一系列问题，提出一种利用机器人技术模仿人体手臂震颤策略，通过控制手臂震颤信号仿真机器人系统，使之产生与人体手臂震颤相仿的震颤运动，避免震颤抑制策略在未成熟的情况下直接作用到人体上。
附图说明
[0027] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
[0028] 图1为本发明的总体结构示意图；
[0029] 图2为本发明的手臂震颤模拟系统示意图；
[0030] 图2(a)为图2中前臂内外扭转机构11的放大结构示意图；
[0031] 图2(b)为图2中前臂上下运动机构12的放大结构示意图；
[0032] 图2（c）为图2中前臂旋转机构13的放大结构示意图；
[0033] 图3为本发明的震颤检测系统示意图；
[0034] 图4为本发明的信号处理与控制系统示意图；
[0036] 其中，000为工作平台，100为手臂震颤模拟系统，101为假肢手臂，102为柔性连接装置，103为刚性连接构件A，104为上铰链，105为下铰链，106为轴承座，107为刚性固定装置A，108为凸轮机构，109为刚性固定装置B，110为刚性固定装置C，111为曲柄滑块机构，112为刚性固定构件A，113为刚性连接构件B，114为刚性连接构件C，115为刚性连接构件D，116为刚性连接装置，200为震颤激励系统，201为假肢手臂旋转运动直流电机，202为假肢手臂旋转运动直流电机减速系统，203为假肢手臂内/外扭转运动直流电机，204为假肢手臂内/外扭转运动直流电机减速系统，205为假肢手臂上/下运动直流电机，206为假肢手臂上/下运动直流电机减速系统。300为震颤运动检测系统，301为假肢手臂惯性传感器单元；302为假肢食指三维加速度传感器，303为假肢中指三维加速度传感器，304为假肢无名指三维加速度传感器；305为假肢手臂旋转运动直流电机编码器，306为假肢手臂内/外扭转运动直流电机编码器，307为假肢手臂上/下运动直流电机编码器。400为信号处理与控制系统，401为信号处理系统，402为信号控制系统，403为执行系统，404为PC级计算机控制系统, 11为前臂内外扭转机构, 12为前臂上下运动机构，13为前臂旋转机构。
具体实施方式
[0037] 如图1、图2所示，本发明中的三自由度人体手臂震颤信号仿真机器人包括手臂震颤模拟系统100、震颤激励系统200、震颤运动检测系统300、信号处理与控制系统400。为了使仿真机器人的震颤更加的贴近实际人体手臂的震颤运动，采用假肢来模拟人体的手臂，具有较高的真实性。
[0038] 手臂震颤模拟系统100：包括工作台000、设于工作台上的假肢手臂101、前臂内外扭转机构11、前臂上下运动机构12和前臂旋转机构13；假肢手臂 101通过刚性连接构件A103、刚性连接构件B 113和刚性连接构件C 114与震颤激励系统200进行连接。
[0039] 如图2和图2(a)所示，前臂内外扭转机构11包括刚性固定装置C 110，曲柄滑块机构111，刚性固定构件A 112，刚性连接构件D 115；前臂上/下运动的直流电机系统由假肢手臂上/下运动直流电机203和假肢手臂上/下运动直流电机减速系统204构成，两者通过刚性固定装置C110与工作台000固定，通过曲柄滑块机构111，刚性连接构件D 115和刚性连接构件 B 113与假肢手臂 101相连接，曲柄滑块机构111带动假肢手臂实现其内/外扭转运动。
[0040] 如图2和图2(b)所示，前臂上下运动机构12包括凸轮机构108，刚性固定装置B109,刚性连接装置116，假肢手臂上/下运动直流电机205和假肢手臂上/下运动直流电机减速系统206通过凸轮机构108和刚性连接构件C 114与假肢手臂101相连接，凸轮机构108带动假肢手臂101实现假肢前臂的上/下运动。
[0041] 如图2和图2（c）所示，前臂旋转机构13包括用于与假肢手臂连接的刚性连接构件A 103，假肢手臂旋转运动直流电机201和假肢手臂旋转运动直流电机减速系统202设于刚性连接构件A 103中，电机的旋转直接实现假肢手臂的旋转运动，前臂旋转机构13通过上、下铰链104,105和轴承座106与工作台连接在一起。
[0042] 震颤激励系统200包括用于实现前臂内/外扭转运动的直流电机系统A，用于实现前臂上/下运动的直流电机系统B，用于实现前臂旋转运动的直流电机系统C。直流电机系统A包括假肢手臂内/外扭转运动直流电机203和假肢手臂内/外扭转运动直流电机减速系统204；直流电机系统B包括假肢手臂上/下运动直流电机205和假肢手臂上/下运动直流电机减速系统206；直流电机系统C包括假肢手臂旋转运动直流电机201和假肢手臂旋转运动直流电机减速系统202。
[0043] 假肢手臂内/外扭转运动直流电机203、假肢手臂上/下运动直流电机205和假肢手臂旋转运动直流电机201，均采用FAULHABER公司的2036U036B直流无刷电机；所述的假肢手臂内/外扭转运动直流电机减速系统204，假肢手臂上/下运动直流电机减速系统206和假肢手臂旋转运动直流电机减速系统202均采用Harmonic减速器CSD-14-100-2UH。
[0044] 如图3所示，震颤运动检测系统300由假肢手臂惯性传感器单元301、三维加速度传感器和直流电机编码器构成。直流电机编码器包括假肢手臂内/外扭转运动直流电机编码器306、假肢手臂上/下运动直流电机编码器307和假肢手臂旋转运动直流电机编码器305，分别用于测量假肢手臂内/外扭转运动电机203、假肢手臂上/下运动电机205和假肢手臂旋转运动电机201的实际转动位置。
[0045] 假肢手臂惯性传感器单元301，由倾角仪、陀螺仪、加速度传感器组成，通过柔性连接装置102固定在假肢手臂处，用来获取：a）手臂上下运动的位移、速度和线加速度；b）手臂旋内/外运动的角位移、角速度和线加速度；c）手臂左右运动的位移、速度和线加速度；
[0046] 三维加速度传感器由假肢食指三维加速度传感器302、假肢中指三维加速度传感器303和假肢无名指三维加速度传感器304构成，分别用于测量食指、中指和无名指的三维加速度值。
[0047] 图4为本发明中的信号处理与控制系统400示意图。信号处理与控制系统400包括信号处理系统401、信号控制系统402、执行系统403以及PC级计算机控制系统404；信号处理系统401是以TMS320VC5402为核心的16位DSP信号处理系统，通过GPIO口实时采集各个传感器以及各直流电机编码器的信息；信号控制系统402是以Intel PXA270为核心的32位ARM10微处理器信号控制系统；执行系统403用于执行信号控制系统402产生的电机控制命令，电机控制利用SOFTING 公司的CAN通信卡与FAULHABER MCBL 3003 S/C电机驱动器进行通信，分别控制假肢手臂内/外扭转运动直流电机203、假肢手臂上/下运动直流电机205和假肢手臂旋转运动直流电机201； PC级计算机控制系统404，采用MATLAB/SIMULINK以及DSPACE公司的DSPACE1104在线仿真控制系统，与信号控制系统402进行通信。
[0049] 将本发明公开的三自由度人体手臂震颤信号仿真机器人通过利用前臂内外扭转机构11、前臂上下运动机构12、前臂旋转机构13综合的作用产生近似于人体手臂震颤信号，分别通过刚性连接装置固定在假肢手臂，信号处理与控制系统400固定在工作台000上。如图5所示，在实际操作中，当实验人员采集到实际震颤患者的震颤运动信号并将其输入到PC级计算机控制系统404，开启机器人系统—步骤501；信号处理与控制系统400启动—步骤502，系统自检—步骤503；如果自检发现异常—步骤504？，则电机下电—步骤515，停止工作—步骤516；如果自检正常—步骤504？，则震颤运动检测系统300启动—步骤505，同时震颤激励系统200启动—步骤509，电机系统初始化—步骤510；如果停止指令—步骤512，则电机下电—步骤515，工作结束—步骤516；如果不停止指令，根据控制指令，控制电机改变速度和方向—步骤513，进而实现机器人假肢手臂内外扭转运动、手臂上下运动和手臂臂旋转运动；机器人假肢手臂随着这些运动不断的改变自身的状态—步骤514，安装在假肢手部、手臂的多种
传感器系统获取手臂运动信息—步骤505，步骤506；
以TMS320VC5402为核心的16位DSP信号处理系统401获取这些信息，经过
数据处理与滤波，将高频的震颤运动信号和低频的正常运动信号分离开来，并分别将这两信号传递到以Intel PXA270为核心的32位ARM10微处理器信号控制系统402中，实时存储和获取—步骤507；通过对机器人产生的震颤信号与人体手臂实际的震颤信号的比较，产生电机控制命令—步骤508，实时的调整各个电机的运行方式；执行系统403用于执行信号控制系统
402所产生的电机控制命令—步骤511，通过SOFTING公司的CAN通信卡与FAULHABER MCBL
3003 S/C电机驱动器进行通信，分别控制假肢手臂内外扭转运动直流电机、手臂上下运动和手臂臂旋转运动直流电机，使机器人各个关节产生运动直流电机—步骤512，进而改变假肢手臂的震颤特性，达到使机器人假肢产生与患者手臂震颤相同的目的；这样相应的震颤抑制策略就可以作用到该机器人上，达到验证这种震颤抑制策略的有效性和安全性的目的。
[0050] 上述仅为本发明的实施例而已，对本领域的技术人员来说，本发明有多种更改和变化。凡在本发明的发明思想和原则之内，作出任何
修改，等同替换，改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。
