專利名稱：基于肌電控制的機械假手的力觸覺反饋及力度控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及以肌電信號原理設計的假肢機械手，特別是一種基于肌電控制的機械
假手的力觸覺反饋及力度控制方法，屬于與機械手相關的信號采集與處理、計算機、電機控 制等技術領域
背景技術：
雖然肌電控制假手已經(jīng)出現(xiàn)了很多年，但關于如何解決機械假手的夾持力大小的 控制問題一直都是機械手控制的重要內(nèi)容，現(xiàn)有技術的肌電假手都不能實現(xiàn)假手控制夾持 力度的大小或者不能實現(xiàn)適應殘疾人的方便的力度控制方法，使得殘疾人無法拿取易碎、 易變形等日常生活用品，或者要借助較為復雜的設備或方式才能實現(xiàn)這一功能，給殘疾人 使用肌電假手后適應正常生活帶來困難。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術的缺陷，本發(fā)明提出了一種基于肌電控制的機械假手的力觸覺反 饋及力度控制方法，可讓使用者僅通過按正常的生活習慣緊繃和放松相對應的肌肉就能控 制假手的張合，并可控制假手閉合的夾持力度大小，來抓取不同材質(zhì)的物品。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案 —種基于肌電控制的機械假手的力觸覺反饋及力度控制方法，機械假手由微型直
流電機通過齒輪傳動機構帶動用于夾持物品的手指，其特征在于設置兩個肌電信號采集
電極貼合在人體殘肢手臂的肌肉活動區(qū)體表，分別采集與肌肉緊繃程度成正比的手指張開
及閉合肌電信號，把這兩個肌電信號輸入至設有包括單片機、電機驅動電路在內(nèi)的控制模
塊，由單片機對采集的對應手指夾持力度的肌電信號按幅值大小不同進行分段量化，并按
照這分段的力度值輸出不同的分段信號，通過電機驅動電路驅動微型直流電機輸出正比于
分段力度值的轉速，微型直流電機的轉動經(jīng)齒輪動機構輸出對應于手指夾持力度分段量化
的分段速度值；同時，在假手的拇指指端設置力觸覺傳感器，當手指閉合時，力觸覺傳感器
輸出擠壓信號反饋給單片機與程序設定的力度分段量化值進行對應比較，根據(jù)比較結果，
單片機不斷調(diào)整其輸出給電機驅動電路的信號，驅動微型直流電機的轉速相應變化，使手
指張開及閉合的速度相應改變，直至達到符合設定要求的所屬分段夾持力度。 所說控制模塊設有單片機及電機驅動電路，還設有兩路肌電信號整流、濾波、放大
電路、光電耦合隔離電路；其中，濾波采用均值濾波，電機驅動電路采用H型橋式電機驅動
器電路，放大電路采用儀用放大器；由采集電極得到的肌電信號經(jīng)過二極管整流、均值濾
波后變成一個平穩(wěn)的電平信號，該電平信號的幅值與人體肌肉的緊繃程度成正比，把這一
電平信號經(jīng)過儀用放大器放大后輸入單片機的AD轉換輸入端，單片機對這一電平信號AD
轉換后按滿幅值大小的三等份從大到小分成大、中、小三段進行分段，相對應使用者用力的
大、中、小三段，并按照這三種不同的用力情況由單片機給出三種不同占空比的脈沖寬度調(diào)
制信號，通過H型橋式電機驅動器電路驅動微型直流電機輸出正比于分段力度值的快、中、慢三種轉速，微型直流電機的轉動通過齒輪機構傳動，使得手指張開或閉合的速度也對應 為快、中、慢三速；當手指閉合時，手指的指端擠壓力觸覺傳感器，傳感器輸出的差動信號通 過儀用放大器調(diào)理后返回到單片機的AD轉換輸入端，單片機將力觸覺傳感器信號AD轉換 之后與程序中預設的對應大、中、小三段的目標范圍進行比較，當力觸覺傳感器信號比目標 范圍小時，單片機就繼續(xù)發(fā)出手指夾緊信號，當力觸覺傳感器信號比目標范圍大時，單片機 就發(fā)出手指開的信號，如此不斷調(diào)整直到力觸覺傳感器信號穩(wěn)定在目標范圍內(nèi)為止。
單片機程序預設的小力度段為1±0. 1牛頓，用于抓取較輕易變形物體，如空紙杯 等；中力度段為4±0. 1牛頓，用于抓取偏重且易變形的物體，如裝滿水的紙杯或礦泉水瓶 等；大力度段為15±0. 1牛頓，用于抓取偏重且不易變形或不怕變形的物體，如石塊、鐵塊 等 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點 本發(fā)明采用力度分段控制方法來控制帶指端力觸覺反饋的肌電假手，實現(xiàn)了傳統(tǒng) 控制方法的創(chuàng)新。使用者只需要把肌電信號采集電極貼在手臂的對應位置，按正常的習慣 來活動手臂，控制手臂活動的力度大小，肌電信號采集電極就會把與手臂肌肉的緊繃程度 相應的信號采集并提交單片機處理，又由單片機發(fā)出相應的電機驅動信號并接收力觸覺傳 感器發(fā)回的肌電假手的夾持力度信號，實現(xiàn)閉環(huán)控制來達到相對應手臂力度大小的夾持 力。使用者只需要按正常的生活習慣就能控制假手的張合，并可以拿取各種材質(zhì)的物品，給 使用者帶來極大方便。當手指張開程度較大而所拿物體較小時可以實現(xiàn)開始時緊繃肌肉 快速閉合，而手指接近物體時稍微放松肌肉慢速閉合拿取物體，拿取物品快速靈活，又可避 免損壞物品；力度控制的分段處理使得使用者能夠根據(jù)所拿取的物品的不同材質(zhì)調(diào)整肌肉 的緊繃程度方便的控制肌電假手的夾持力度大小，可以拿起紙杯，玻璃杯等易變形、易碎物 品，幫助斷肢殘疾人拿取各種物品，恢復正常生活。


圖1為本發(fā)明機械假手結構示意圖；
圖2為本發(fā)明的原理框圖；
圖3為本發(fā)明方法的工作流程圖；
圖4為本發(fā)明中控制模塊電路圖。
具體實施例方式
下面結合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步說明 如圖l所示(圖中只機械假手畫出了用于夾持的二根手指)，兩個肌電信號采集電 極1連接到假手根部的肌電假手控制模塊2，肌電假手控制模塊2的電機驅動信號線連接 到機械假手13上的微型直流電機3，微型直流電機3輸出軸上安裝的電機齒輪4和大齒輪 5嚙合傳動，傳動比4 : l，起到減速增力的作用；與大齒輪5同軸的小齒輪6與拇指9根部 齒輪7嚙合，傳動比10 : 1，也起到減速增力的作用，拇指9根部齒輪7的軸與拇指9為鍵 固定聯(lián)接，使拇指9和齒輪7同步轉動。同理，長手指根部齒輪8的軸和長手指10也為鍵 固定聯(lián)接，長手指10和齒輪8同步轉動，短手指根部齒輪7和長手指根部齒輪8嚙合，傳動 比l : 1，使長手指10在短手指9轉動的同時向反方向轉動，從而達到手指開合的效果。在短手指9的末端安裝傳感器座ll，在傳感器座上安裝力觸覺傳感器12，當手指閉合時，力觸 覺傳感器12的力敏感點會受到擠壓，輸出信號與肌電假手控制模塊2連接用以傳回輸出的 力觸覺信號。 如圖2所示，當肌電信號采集電極采集到肌電信號之后，把該信號提供給肌電假 手控制模塊判斷出使用者手臂的運動意圖，并發(fā)出相應的P麗電機驅動信號來驅動機械假 手的張開和閉合，當機械假手閉合時，力觸覺傳感器的力敏感點會受到擠壓，受力大小的信 號再返回到肌電假手控制模塊進行處理，肌電假手控制模塊結合肌電信號和力觸覺信號不 斷的調(diào)整肌電假手的張開閉合，直到力觸覺信號最后穩(wěn)定在預期范圍內(nèi)為止。
如圖3所示，首先檢測肌電信號采集電極傳輸?shù)募‰娦盘?，然后再檢測力觸覺傳 感器的力觸覺信號，再判斷是張開假手還是閉合假手，如果是閉合假手，則再根據(jù)肌電信號 判斷使用者手臂的動作意圖是大力度、中力度還是小力度，若是大力度則根據(jù)力觸覺信號 判斷當前的機械假手的夾持力度是否在預期的大力度范圍之內(nèi)，如果在范圍之內(nèi)則不做任 何調(diào)整直接進入下次循環(huán)，如果小于該范圍，則發(fā)出使假手快速閉合的驅動信號，如果力度 已經(jīng)超過該范圍則發(fā)出使假手慢速張開的信號，使假手略微放松。如果是中力度或者是小 力度情況下工作流程基本相同，其中與大力度工作流程中的唯一不同點是預設的力度范圍 分別為中力度范圍和小力度范圍，而且假手閉合速度分為中速閉合和慢速閉合。如果是張 開假手情況，則根據(jù)肌電信號判斷使用者手臂意圖是大力度、中力度還是小力度，如果是大 力度則不必再判斷力觸覺信號直接輸出使假手快速張開的驅動信號，中力度情況下直接發(fā) 出使假手中速張開的驅動信號，小力度情況下直接發(fā)出使假手慢速張開的驅動信號。
如圖4所示，肌電假手控制模塊包括單片機C8051F320 (圖b) 、 H型橋式電機驅動 器電路MC33886 (圖c)、兩路肌電信號采集及二極管D1、D2整流以及由R2和Cl及R7和C2 兩個均值濾波、兩個儀用放大器AD623電路(圖a)、力觸覺傳感器信號調(diào)理AD620電路及兩 路光電耦合隔離電路(圖d)，以上電路均為本領域熟知的常規(guī)電路。插頭CNT1的兩個接頭 與肌電信號采集電極的信號線相連接，接收肌電信號，經(jīng)過二極管整流和電容的均值濾波 處理后連接到兩個儀用放大器AD623的正輸入端進行信號放大處理，兩個AD623的輸出端 連接到單片機C8051F320的Pl.O 口和Pl. 1 口 ，供單片機進行AD轉換，單片機C8051F320 的P2. 4 口接收力觸覺傳感器發(fā)出的力觸覺信號并進行AD轉換，單片機綜合以上三路AD轉 換的結果判斷應該發(fā)出怎樣的P麗電機驅動信號。單片機C8051F320的Pl. 2 口和Pl. 3 口 發(fā)出P麗電機驅動信號連接到兩路光電耦合隔離器電路的輸入端P麗l和P麗2，兩路光電隔 離耦合器電路的輸出端MOTOR A和MOTOR B分別連接H橋驅動器MC33886的輸入端IN2和 IN1， H橋驅動器MC33886的輸出端0UT1和0UT2連接到插座CNT2的兩路接頭再和微型直 流電機的兩輸入端連接，用于驅動電機的轉動。單片機C8051F320對P1.0 口和Pl. 1 口電 平信號AD轉換后進行大、中、小的分段處理，其中大、中、小三段分別對應電機轉速的快速、 中速、慢速。微型直流電機的轉動通過齒輪機構傳動，使得手抓的手指張開以及閉合，張開 或閉合的速度也對應為快、中、慢三速。當手指閉合時，手指的指端會擠壓力觸覺傳感器的 力敏感點，力觸覺傳感器的2、3腳輸出的差動信號，2、3腳分別接儀用放大器的負、正輸入 端，通過儀用放大器AD620調(diào)理之后變成電平信號再返回到單片機C8051F320的AD轉換輸 入端P2. 4 口 ，單片機C8051F320將這一返回信號AD轉換之后與程序中預設的對應大、中、 小三段的目標范圍進行比較，其中小力度段范圍設定為1±0. l牛頓，用于抓取較輕易變形
5物體，如空紙杯等，中力度段范圍設定為4士0. l牛頓，用于抓取偏重且易變形的物體，如裝 滿水的紙杯或礦泉水瓶等，中力度段范圍設定為15±0. l牛頓，用于抓取偏重且不易變形 或不怕變形的物體，如石塊、鐵塊等。當輸入值比目標范圍小時，單片機就繼續(xù)發(fā)出夾緊信 號，當輸入值比目標范圍大時，單片機就發(fā)出假手張開的信號，如此不斷調(diào)整直到輸入值穩(wěn) 定在目標范圍內(nèi)為止。
權利要求
一種基于肌電控制的機械假手的力觸覺反饋及力度控制方法，機械假手由微型直流電機通過齒輪傳動機構帶動用于夾持物品的手指，其特征在于設置兩個肌電信號采集電極貼合在人體殘肢手臂的肌肉活動區(qū)體表，分別采集與肌肉緊繃程度成正比的手指張開及閉合肌電信號，把這兩個肌電信號輸入至設有包括單片機、電機驅動電路在內(nèi)的控制模塊，由單片機對采集的對應手指夾持力度的肌電信號按幅值大小不同進行分段量化，并按照這分段的力度值輸出不同的分段信號，通過電機驅動電路驅動微型直流電機輸出正比于分段力度值的轉速，微型直流電機的轉動經(jīng)齒輪動機構輸出對應于手指夾持力度分段量化的分段速度值；同時，在假手的拇指指端設置力觸覺傳感器，當手指閉合時，力觸覺傳感器輸出擠壓信號反饋給單片機與程序設定的力度分段量化值進行對應比較，根據(jù)比較結果，單片機不斷調(diào)整其輸出給電機驅動電路的信號，驅動微型直流電機的轉速相應變化，使手指張開及閉合的速度相應改變，直至達到符合設定要求的所屬分段夾持力度。
2. 根據(jù)權利要求1所述的基于肌電控制的機械假手的力觸覺反饋及力度控制方法，其 特征在于控制模塊設有單片機及電機驅動電路，還設有兩路肌電信號整流、濾波、放大電 路、光電耦合隔離電路；其中，濾波采用均值濾波，電機驅動電路采用H型橋式電機驅動器 電路，放大電路采用儀用放大器；由采集電極得到的肌電信號經(jīng)過二極管整流、均值濾波后 變成一個平穩(wěn)的電平信號，該電平信號的幅值與人體肌肉的緊繃程度成正比，把這一電平 信號經(jīng)過儀用放大器放大后輸入單片機的AD轉換輸入端，單片機對這一電平信號AD轉換 后按滿幅值大小的三等份從大到小分成大、中、小三段進行分段，相對應使用者用力的大、 中、小三段，并按照這三種不同的用力情況由單片機給出三種不同占空比的脈沖寬度調(diào)制 信號，通過H型橋式電機驅動器電路驅動微型直流電機輸出正比于分段力度值的快、中、慢三種轉速，微型直流電機的轉動通過齒輪機構傳動，使得手指張開或閉合的速度也對應為 快、中、慢三速；當手指閉合時，手指的指端擠壓力觸覺傳感器，傳感器輸出的差動信號通過 儀用放大器調(diào)理后返回到單片機的AD轉換輸入端，單片機將力觸覺傳感器信號AD轉換之 后與程序中預設的對應大、中、小三段的目標范圍進行比較，當力觸覺傳感器信號比目標范 圍小時，單片機就繼續(xù)發(fā)出手指夾緊信號，當力觸覺傳感器信號比目標范圍大時，單片機就 發(fā)出手指開的信號，如此不斷調(diào)整直到力觸覺傳感器信號穩(wěn)定在目標范圍內(nèi)為止。
3. 根據(jù)權利要求1所述的基于肌電控制的機械假手的力觸覺反饋及力度控制方法，其 特征在于單片機程序預設的小力度段為1±0. 1牛頓，中力度段為4±，0. 1牛頓，大力度段 為15±0. 1牛頓。
全文摘要
一種基于肌電控制的機械假手的力觸覺反饋及力度分段控制方法，設置兩個肌電信號采集電極貼合在人體殘肢手臂的肌肉活動區(qū)體表，分別采集與肌肉緊繃程度成正比的手指張開及閉合肌電信號輸入單片機并按幅值大小不同進行分段量化，輸出不同的分段信號，通過電機驅動電路驅動微型直流電機，微型直流電機的轉動經(jīng)齒輪動機構輸出對應于手指夾持力度分段量化的分段速度值；同時，在假手的拇指指端設置力觸覺傳感器，當手指閉合時，力觸覺傳感器受到擠壓輸出力觸覺信號反饋給單片機與程序設定的力度分段量化值進行對應比較，根據(jù)比較結果，單片機不斷調(diào)整其輸出給電機驅動電路的信號，驅動微型直流電機的轉速相應變化，使手指張開及閉合的速度相應改變，直至達到符合設定要求的所屬分段夾持力度。
文檔編號A61F2/72GK101766510SQ200910263389
公開日2010年7月7日 申請日期2009年12月18日 優(yōu)先權日2009年12月18日
發(fā)明者包加桐, 宋愛國, 崔建偉, 章華濤, 錢夔 申請人:東南大學