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基于形状记忆合金的软体指套设计与精确控制

2024-01-03 164 上传者：管理员

摘要：提出了一种基于形状记忆合金(SMA)弹簧驱动的软体指套。设计了基于霍尔传感器的传感系统，以精确感知指套弯曲状态。通过分析人手的结构和运动特征，建立了指套的运动学模型。最后，搭建实验平台，开展传感器标定实验分析，完成锯齿状速度曲线跟踪。实验结果表明：软体指套通过高精度的位置信息和经典PID控制器，能够实现精确运动控制。

关键词：
形状记忆合金
手部康复设备
精确控制
软体指套
霍尔传感器
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意外的手部损伤、脊髓损伤和脑损伤可能会降低手部功能或导致永久性瘫痪[1]。例如，中风是世界上第三大致残原因，高达80 %的患者会出现手部功能障碍。此外，导致手部功能障碍的中脑麻痹、Ⅰ型、Ⅱ型脊髓性肌萎缩症患者也在增加。手部康复设备可以帮助手部功能障碍患者进行手部功能康复训练，得到了广泛的关注。

研究人员设计了各种刚性康复指套具有较高的精度，但由于结构的刚性和构件的笨重[2],可能会对手部造成继发性损伤。此外，由于价格昂贵，携带性差，刚性康复指套主要用于大型康复机构，如医院等，这极大地限制了刚性康复指套的应用范围。随着软体机器人技术的发展，安全性高、价格相对低廉的软体康复指套有很大的潜力扩大康复指套的应用。

目前，软体康复指套的驱动方法主要有以下几种：空气驱动器[3,4],电动绳驱执行器[5],形状记忆合金(shape memory alloy, SMA)驱动器[6,7]。气驱响应速度快，但气室体积大，导致基于气驱的康复指套移动不便。电机驱动控制精度高，应用广泛，然而，在满足手指日常活动自由要求的情况下，大量电机会导致康复指套的质量增加。SMA弹簧具有质量低、功率质量比大、变形量大等特点，适合康复指套的驱动要求。

另一方面，由于指套可伸缩并且无关节，传统的角度传感器不能满足精确的角度测量，因此，指套的角度预测精度仍存问题。现在常用的测量手指弯曲角度的传感器有电阻式传感器和光栅式传感器[8],但手指在弯曲过程中会发生较大的形变，会对这些传感器的测量精度产生影响，也对软体指套的精确控制带来了挑战[9,10,11]。

本文提出了一种由SMA弹簧驱动的轻型软体指套。驱动器通过拉线将输出力传递给手指，驱动手指达到运动目的，并设计基于霍尔传感器检测手指弯曲角度的传感系统。此外，参考实际人手的运动过程，建立手指的运动学模型指导结构参数选定，设计控制系统的软硬件部分，并实现软体指套的精确运动。

1、软体指套的结构设计与原理

1.1 驱动单元设计

手指弯曲时，通过指浅屈肌和指深屈肌共同作用，带动远节指骨朝着近节指骨方向运动，从而完成一个弯曲动作。

如图1(a)所示，仿照手指弯曲原理，驱动单元由2组SMA弹簧、拉线、固定座组成。为增大输出力，每组弹簧由2根SMA弹簧组成，其中一端固定在固定座上，另外一端通过拉线与指端连接。如图1(b)所示，仿照手指弯曲原理，当弹簧收缩时，固定在弹簧上的拉线带动远节指骨远离或者靠近近节指骨。因此，轮流对不同组SMA弹簧通电，完成手指的伸直以及弯曲运动。其中，SMA弹簧的外径为2.6 mm, 线径为0.28 mm, 奥氏体转变温度为85 ℃。一组SMA弹簧通过拉线驱动指套的运动。当指套达到最大弯曲度时，驱动指套伸直或弯曲的SMA弹簧到达限位点，这种设计大大提高了指套的安全性。

图1 软体指套结构设计

1.2 手指单元设计

如图1(a)所示，指套结构设计参考真实人体手指，设计成远节指骨、中节指骨、近节指骨、掌骨4个部分。每个部分都会粘有绑带，用于固定指套位置。4个部分之间通过网状结构相连接，当指套紧戴在手指上的同时，它们的网状结构正好位于手指的关节处。这种网状结构不仅允许在手指的弯曲和伸展过程中沿其长度方向进行伸展，而且还使手指透气，以确保长时间佩戴舒适。

此外，指套上也设计许多限位孔，通过限位孔使手指在弯曲过程中，指套上的拉线尽量贴合手指。

1.3 传感器单元设计

为实现关节角度测量，使用的传感器为线性霍尔传感器。传感器单元具体设计方案如图1(b)所示，指套上安装了3个传感器单元，用于检测远端指间关节(distal inter-phalangeal, DIP)、近端指间关节(proximal interphalangeal, PIP)和掌指关节(metacarpophalangeal, MCP)的弯曲角度。每个传感器单元包含1个滑槽、1只霍尔传感器和1块磁钢。滑槽采用光敏树脂3D打印成型，与指套指骨部分粘接，在为霍尔传感器提供一个固定的位置的同时，保证磁钢在手指弯曲时的运动轨迹。磁钢通过尼龙绳与前1只传感器的末端连接，尼龙绳穿过滑槽孔与限位孔，确保尼龙绳在手指弯曲时可以呈现出弧形，该特殊的形状将帮助建模和分析手指的运动状态。当手指弯曲时，由于指套网状结构的变形，磁钢与霍尔传感器之间的距离发生变化，从而导致霍尔传感器的电压值发生变化。因此，可以通过霍尔传感器的电压值测量手指关节的弯曲角度，从而获取手指的运动状态。

2、软体指套运动学分析

假定手指弯曲时，运动形式为指骨的后部绕着与下一节指骨的前端做圆周运动，且圆周半径恒定。

2.1 手指关节模型

如图2(a)食指关节的X光照片所示，中间指骨围绕近端指骨中的虚线旋转。选取食指的PIP建立模型，同理也可分析得到其他关节模型。

图2 手指关节PIP模型

磁钢的拉线部分的轴线与手指皮肤表面之间的距离非常小，因此可以假设

s=rs (1)

式中s为磁钢的拉线到手指皮肤表面的距离。rs为磁钢拉线的限位孔中心沿旋转半径方向与皮肤的距离。

磁场强度B与霍尔传感器V的检测值呈线性关系。在空气中，永磁体的磁场强度B与距磁场中心的距离D的平方成反比。因此，当霍尔传感器用于检测磁场强度时，霍尔传感器的检测值V与距离D的关系可以表示为

V=k/D2 (2)

式中k为常数。

因此，当软体指套带动手指弯曲时，在霍尔传感器的量程内，磁钢与霍尔传感器之间的变化距离Δl与霍尔传感器的电压之间的关系可以表示为

式中V0为手指伸直时霍尔传感器输出的电压值，Vbend为手指弯曲时霍尔传感器输出的电压值。

在弯曲过程中，指套仅关节处的网格状结构发生形变，此时将弯曲关节的状态简化成图2(b),故Δl还可以表达

Δl=θbend(r+rs) (4)

式中θbend为关节的旋转角度；r为常量，表示关节运动时皮肤表面到关节旋转中心的距离。因此，θbend可由霍尔传感器的输出电压值可以表示为

由此可知，在手指弯曲过程中，霍尔传感器输出电压与对应关节转角的平方之间的关系满足反比关系，从而为滑槽长度的确定提供理论依据。

2.2 手指弯曲建模

SMA弹簧驱动器工作时，通过拉线引起指套的变形，驱动手指弯曲或拉伸。因此，可以建立手指弯曲角度与SMA弹簧驱动器形变之间的关系。

SMA弹簧收缩时，DIP、PIP、MCP的变化如图3(a)所示。以PIP关节为例，分析了SMA弹簧执行器收缩对其角度的影响，其他2个关节相似。图3(b)为指套在PIP处变化的放大模型，认为旋转中心与相邻两侧的固定点构成五边形。

图3 手指弯曲模型

PIP的关节角θP表示为

θP=π-θbend (6)

2个固定点末端距离Lx可以表示为

式中L1,L2分别为关节的旋转中心到相邻固定点的轴向距离；a,b为常量，分别表示近节指骨与中节指骨中轴线到拉线的距离。

因此，PIP关节的拉线变形LεPIP表示为

LεPIP=L1+L2-Lx (8)

同样，可分别计算DIP节点和MCP节点的拉线变形LεDIP和LεMCP。因此，SMA弹簧的变形量Lε表示为

Lε=LεDIP+LεPIP+LεMCP (9)

其中，LεDIP,LεPIP和LεMCP均包含其对应的弯曲角度，可以建立手指弯曲角度与SMA弹簧驱动器形变的关系，这也为确定SMA的尺寸提供理论依据。

3、控制硬件及软件系统设计

3.1 控制硬件系统设计

基于对功能需求的考虑，选用STM32F407ZET6单片机作为核心控制板。此单片机是一种基于ARM Cortex—M4核心的32位微型控制器，拥有24路的12位A/D模块以及4路串口，并有17个定时器，每个定时器均能产生4路脉冲宽度调制(pulse width modulation, PWM)。通过核心控制板，可以完成高精度霍尔传感器输出电压的采集，并输出PWM对SMA弹簧进行控制，以及完成与上位机的通信。

SMA弹簧的控制策略为通过改变加热电流大小来控制SMA弹簧的收缩程度以及收缩速度。如图4所示，驱动SMA弹簧收缩的驱动电路使用金属氧化物半导体场效应管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET)开关电路。通过输入一定频率的PWM,控制MOS管的导通状态，进一步改变SMA弹簧两侧电压，完成不同电流下弹簧的收缩状态。为保持控制信号稳定，使用光耦芯片LTV217TP1B,其体积小，抗干扰能力强，性能稳定，并且能使输入信号和输出完全隔离。最终驱动电路的输入电压为5～24 V,输出电压为5～27 V,输出电流最大可以到达3 A。

图4 驱动电路原理

3.2 控制软件系统设计

控制软件主要分为采集模块、驱动模块、通信模块以及保护模块。各个模块的功能及联系如图5所示。

图5 控制系统

对指套上的6只霍尔传感器的电压值进行采集，再将电压值映射到对应关节角度。对3个关节角度进行相加，得到了指套当前弯曲角度，并通过串口进行发送，将弯曲角度信息以及霍尔传感器数值发送至上位机进行显示。当接收到上位机发来的期望角度指令时，解析指令得到期望角度，并将期望角度与当前角度输入至PID控制器当中，通过PID公式计算得到了需要输出的PWM占空比后，通过PWM模块进行输出。此外，当弹簧处于高占空比驱动状态下，并且2 s内无角度变化时，会触发过热保护，停止输出PWM,从而防止SMA弹簧因过度加热导致的烧坏。当到达弯曲极限或者伸直极限时，会停止输出，防止过拉导致手指受伤。

4、实验与分析

4.1 实验平台搭建

实验平台如图6(a)所示，由机械手指、铝型架、高速相机、软体指套、电源及控制电路构成。机械手指的设计分为4个部分：远节指骨、中节指骨、近节指骨和掌骨，4个部分之间通过铰链进行连接。手指外侧同时覆盖了一层通过Ecoflex铸造的硅胶膜，用于模仿人体皮肤。软体指套套在机械手指的外部，从而模仿实际人手佩带指套。当SMA弹簧驱动指套时，会带动机械手指弯曲，进而模仿真实手指弯曲情况。

传感器槽旁安装2只发光二极管，用于标记出当前所在指骨的轴线，用于高速相机捕捉传感器当前所在位置。当手指弯曲时，固定在对应指骨位置上的传感器槽与指骨一同运动，高速相机进行拍摄记录，通过MATLAB处理计算得到运行时间以及当前各个关节间的实际角度。处理保存的图像如图6(b)。

图6 实验平台装置及标定效果

与此同时，上位机会对运行时间以及霍尔传感器数值进行记录。通过将上位机保存的时间和霍尔传感器数值线性插值后，与相机计算得到的角度进行对应，从而得到了各个关节角度与传感器霍尔值的关系。通过使用高精度的视觉传感器去标定霍尔传感器，从而将霍尔传感器的输出值与实际角度匹配。

每次仅对1个关节进行标定，并对其余的关节进行限位，使其不能弯曲。这保证了结果获得每个关节的检测范围达到最大。最后的3个关节的标定精度如图7(a)所示。

图7 实验结果

4.2 运动跟随效果

为了验证软体指套的运动控制能力，进行了指尖角期望值的响应实验。给定周期为20 s的锯齿波信号作为期望值，使指尖完成锯齿波速度跟踪，结果如图7(b)所示。当手指在伸直和弯曲运动状态之间变化时，存在反应延迟现象，其原因是对抗拉线的预紧力大于驱动弹簧本身。结果表明，使用霍尔传感器对角度进行测量，得到的跟随效果好，控制精度高。

5、结论

本文利用SMA弹簧进行驱动，完成了软体指套的设计，并通过对软体指套的运动学建模，完成了指套参数选取。进一步，设计了基于霍尔传感器的传感系统，并且设计了控制系统的软硬件模块，通过实验进行传感器标定。最后，使用经典的PID控制器，完成锯齿波信号速度跟随，实现指套精确的运动控制。

参考文献:

[7]冯晓彬.形状记忆合金丝驱动的手指康复机器人设计和分析[D].秦皇岛:燕山大学,2019.

[9]蔡宇,段盛青,魏晓晨,等.新型欠驱动仿生灵巧手设计及实时操作控制[J].传感器与微系统,2019,38(6):92-95.

[10]彭广帅,樊星雨,刘笑宇,等.柔性可穿戴康复手套的设计与控制[J].医用生物力学,2019,34(6):637-643.

[11]姚建涛,李海利,曹开彬,等.柔性可穿戴腕部动力手套的设计与分析[J].机械工程学报,2018,54(19):1-9.

基金资助:中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(WK5290000002);

文章来源:韦畅旸,金虎,张世武.基于形状记忆合金的软体指套设计与精确控制[J].传感器与微系统,2024,43(01):72-75.