液冷记忆合金弹簧驱动无关节手外骨骼关键技术研究

Published researches on hand exoskeletons for rehabilitation have drawbacks such as oversize, limited mobility,and etc. A new liquid cooled shape memory alloy(SMA) spring based jointless hand exoskeleton plan is proposed in this project, and the studies will focus on(1)jointless hand exoskeleton strcuture and driving method based on human hand tendon biotic mechanisms; (2) bionic kinematics for jointless hand exoskeleton research; (3)affected limb motion intention judgement methods research; (4) fast response control method for liquid cooled SMA spring actuator. Key scientific issues such as tendon assignment optimization, structual parameters self-adaptation methods, mathematic description methods for natural movement of healthy hand, and control method for liquid cooled SMA spring actuators will be solved. Finally, a experimental platform of SMA spring actuated jointless hand exoskeleton will be developed; SMA spring fast response control method and human hand natual movement mathematical model will be solved.The proposal has three innovative points(1) a motion coupling method is proposed for jointless hand exoskeleton; (2) use SMA spring as actuator on hand exoskeleton; (3) a new liquid cooled SMA spring based actuator is developed.

为解决现有手部无关节外骨骼存在的个性差异适用性受限、移动性差、运动趋势与实际不符,记忆合金执行器响应速度慢及患肢运动意图判断精确度不够等问题，课题提出液冷记忆合金（SMA）弹簧驱动无关节手外骨骼方案。主要研究（1）基于人手筋腱仿生机理的无关节外骨骼结构和驱动方法；（2）全手无关节外骨骼驱运动仿生机理；（3）患肢运动意图判断方法；（4）液冷环境中SMA弹簧的快速响应控制。拟解决外骨骼装置驱动线缆布置优化及结构参数自适应、健康人手自然运动的数学描述及液冷SMA弹簧执行器的控制等问题。最终开发出基于液冷SMA弹簧执行器的全手无关节外骨骼实验平台，研究出液冷SMA弹簧快速响应控制方法和人手自然运动数学模型。本课题研究具有如下创新方面：（1）提出无关节外骨骼装置上使用耦合运动方案；（2）将SMA弹簧作为执行元件应用在手部外骨骼上；（3）新提出一种液冷SMA弹簧执行器方案。

为解决现有手部外骨骼体积臃肿、移动性差、驱动机构复杂沉重等问题，本项目主要进行了以下研究内容：.（1）建立了人手典型运动的数学描述。针对握拳、捏取、弯伸食指、拿矿泉水瓶四种动作，搭建角度测量实验平台，构建相应的状态空间，从而建立了这四种运动的数学描述。.（2）提出了线缆驱动的无关节手指外骨骼运动耦合方法。根据单个手指的运动规律，研究提出了一种无关节外骨骼运动耦合的计算方法和设计方法，并对原型机构进行力学方面的实验评估。.（3）完成了无关节外骨骼运动和力学分析。对无关节手外骨骼的线缆驱动方法进行了分析和计算，得出了外骨骼装置运动与两条主驱动线缆长度变化之间的运动规律，给驱动算法的设计打下基础。.（4）提出了一种基于记忆合金元件的混合驱动方案。该方案能够在有效控制力量和位置输出的同时，降低驱动器重量，提升了记忆合金的响应速度。研究了该方案的工作机理，设计了控制算法，编制了驱动程序，最终进行了实验验证。.（5）研究了两种人手运动识别方法。一种是利用健康侧手指的运动直接映射驱动外骨骼之装置的方法，研究了运动采集原理并开发了原型装置；另一种是利用sEMG信号的模式识别方法，来识别人手的四种典型运动。.（6）手外骨骼原型装置的设计与开发。开发了两套外骨骼实验装置：一套是有关节电动外骨骼装置，另一种的无关节的外骨骼装置，用于验证运动耦合方法，并作为最终的验证原型机。.（7）基于Matlab与Adams的手部外骨骼联合仿真。验证了基于sEMG信号进行动作识别用于控制手外骨骼运动的可行性。