專(zhuān)利名稱(chēng)：一種上假肢手部姿態(tài)自平衡控制系統(tǒng)及其工作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及殘疾人用的上假肢或機(jī)器人機(jī)械手，尤其涉及上假肢手部在移動(dòng)中自動(dòng)維持姿態(tài)平衡的控制技術(shù)。
背景技術(shù)：
通常，人們從桌子上端起一杯水放到嘴邊飲用，在移動(dòng)過(guò)程中必須要保持水杯的姿態(tài)維持不變，否則水就會(huì)灑出。對(duì)于人來(lái)說(shuō)這是很簡(jiǎn)單平常的一個(gè)動(dòng)作，可對(duì)于機(jī)器人或上假肢來(lái)說(shuō)實(shí)現(xiàn)起來(lái)就有很大的難度。

機(jī)器人或上假肢要完成一些抓放作業(yè)，事先必須要描述出來(lái)手部的起始狀態(tài)(注所謂“狀態(tài)”包含位置與姿態(tài)兩種信息)和目標(biāo)狀態(tài)，以便使得其手部能準(zhǔn)確抓取到物體并將其以要求的姿態(tài)放到需要的地方。而對(duì)于端水杯那樣的一些特殊抓放作業(yè)，不僅要描述手部的起始狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)，還需要指明手部移動(dòng)過(guò)程中在起始狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)之間的若干途徑點(diǎn)處的狀態(tài)，以保證水杯在移動(dòng)過(guò)程中姿態(tài)穩(wěn)定，不至于發(fā)生傾斜而灑落杯中水，這就要對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行連續(xù)軌跡規(guī)劃。軌跡規(guī)劃一般有兩種方式，一種是在關(guān)節(jié)空間進(jìn)行軌跡規(guī)劃，一種是在笛卡爾空間進(jìn)行軌跡規(guī)劃。在關(guān)節(jié)空間內(nèi)的軌跡規(guī)劃，雖然計(jì)算速度快，易于實(shí)時(shí)進(jìn)行，但是卻往往無(wú)法保證移動(dòng)過(guò)程中手部姿態(tài)的維持，在端水杯這樣的工作中明顯不適用。要實(shí)現(xiàn)手部移動(dòng)過(guò)程中杯子中的水不灑落，必須要在笛卡爾空間中進(jìn)行軌跡規(guī)劃。而在笛卡爾空間的軌跡規(guī)劃，需要在笛卡爾空間與關(guān)節(jié)空間之間進(jìn)行實(shí)時(shí)映射，這是一個(gè)計(jì)算量很大的任務(wù)，常常導(dǎo)致較長(zhǎng)的控制間隔；再者，由笛卡爾空間向關(guān)節(jié)空間的變換是病態(tài)的，它不是一對(duì)一的映射；另外，由于假手的工作對(duì)象的起始狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)都是隨機(jī)的，對(duì)于起始狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)的描述尚且難以實(shí)現(xiàn)，而對(duì)其途徑狀態(tài)點(diǎn)的描述更是困難重重。所以要保持端水杯移動(dòng)過(guò)程手部姿態(tài)的維持不變非常不易。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是公開(kāi)一種保證上假肢或機(jī)械手的手部姿態(tài)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中自動(dòng)維持平衡的控制系統(tǒng)。通過(guò)該系統(tǒng)，可以在手臂做任意的上下、左右、前后運(yùn)動(dòng)時(shí)，都能夠自動(dòng)保持上假肢或機(jī)械手的手部姿態(tài)平衡穩(wěn)定。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種上假肢手部姿態(tài)自平衡控制系統(tǒng)，它包括手部平衡控制器和固定在上假肢前臂上的傾角傳感器，手部平衡控制器通過(guò)串口與上假肢的前臂扭轉(zhuǎn)舵機(jī)和手腕俯仰舵機(jī)連接；所述的手部平衡控制器由MCU、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、電源管理模塊和串口連接組成。上述傾角傳感器是一種電壓型雙軸傾角傳感器，為現(xiàn)有結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的工作方法如下第一步傾角傳感器的安裝
將傾角傳感器安裝在受前臂扭轉(zhuǎn)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的前臂的某一個(gè)位置上，傾角傳感器安裝要求如下傾角傳感器在前臂的上下位置允許變化，但是一定要保證傾角傳感器的X軸和Y軸所構(gòu)成的平面與此時(shí)手部虎口所處的平面平行，而且一定要保證傾角傳感器的X軸的方向與前臂的中軸線平行，Y軸的方向與前臂的中軸線垂直；第二步控制上假肢手部姿態(tài)保持平衡，具體分為以下兩個(gè)方面一 控制手腕俯仰舵機(jī)保持平衡當(dāng)手部平衡控制器接收到傾角傳感器實(shí)時(shí)測(cè)得的傾角傳感器的X軸向下偏離水平面并和水平面形成一個(gè)夾角時(shí)，則手部平衡控制器就會(huì)控制手腕俯仰舵機(jī)上抬相應(yīng)的角度；同理，手部平衡控制器接收到傾角傳感器實(shí)時(shí)測(cè)得的傾角傳感器的X軸向上偏離水平面并和水平面形成一個(gè)夾角時(shí)，則手部平衡控制器就會(huì)控制手腕俯仰舵機(jī)下落相應(yīng)的角度；當(dāng)手部平衡控制器接收到傾角傳感器實(shí)時(shí)測(cè)得的傾角傳感器的X軸與水平面平行時(shí)，則手部平衡控制器就不需要控制手腕俯仰舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

二控制前臂扭轉(zhuǎn)舵機(jī)保持平衡當(dāng)手部平衡控制器接收到傾角傳感器實(shí)時(shí)測(cè)得的傾角傳感器的Y軸向下偏離水平面并和水平面形成一個(gè)夾角時(shí)，說(shuō)明假肢手部虎口向身體內(nèi)側(cè)傾斜，手部平衡控制器就會(huì)控制前臂扭轉(zhuǎn)舵機(jī)向身體外側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)前臂及安裝在其上面的傾角傳感器向身體外側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，使傾角傳感器的Y軸方向由向下偏離水平面逐漸向與水平面平行變化；當(dāng)手部平衡控制器接收到傾角傳感器實(shí)時(shí)測(cè)得的傾角傳感器的Y軸向上偏離水平面并和水平面形成一個(gè)夾角時(shí)，說(shuō)明假肢手部虎口向身體外側(cè)傾斜，手部平衡控制器就會(huì)控制前臂扭轉(zhuǎn)舵機(jī)向身體內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)前臂及安裝在其上面的傾角傳感器向身體內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，使傾角傳感器的Y軸方向由向上偏離水平面逐漸向與是平面平行變化；當(dāng)手部平衡控制器接收到傾角傳感器的Y軸與水平面平行時(shí)，說(shuō)明此時(shí)假肢手部的虎口方向垂直向上，這樣手部平衡控制器就不需要控制前臂扭轉(zhuǎn)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。下面根據(jù)工作原理說(shuō)明本發(fā)明的積極效果。本發(fā)明的目的主要是控制上假肢或機(jī)械手在一些特殊操作過(guò)程中手部虎口方向始終保持垂直向上，基于這一機(jī)理，本發(fā)明的工作原理是，在手臂做上下、左右、前后等運(yùn)動(dòng)時(shí)，傾角傳感器將實(shí)時(shí)檢測(cè)到的前臂姿態(tài)變化數(shù)據(jù)信息通過(guò)手部平衡控制器內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路發(fā)送到手部平衡控制器內(nèi)，手部平衡控制器可以根據(jù)傾角傳感器的X軸和Y軸分別相對(duì)于水平面的傾斜角度，來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)前臂扭轉(zhuǎn)舵機(jī)和手腕俯仰舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向及轉(zhuǎn)角大小，以使上假肢手部的虎口方向保持垂直向上，來(lái)保持手部姿態(tài)的平衡維持；上述的前臂姿態(tài)變化數(shù)據(jù)信息包括兩個(gè)傾斜角度，一是傾角傳感器的X軸相對(duì)于水平面的傾斜角度，即人體的前后方向，二是傾角傳感器的Y軸相對(duì)于水平面的傾斜角度，即人體的左右方向。因此通過(guò)該系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了手臂做任意的上下、左右、前后運(yùn)動(dòng)時(shí)，都能夠自動(dòng)保持上假肢或機(jī)械手的手部姿態(tài)平衡穩(wěn)定，解決了人們長(zhǎng)期以來(lái)無(wú)法解決的難題。


下面以右側(cè)上假肢為例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例。圖I是上假肢手部姿態(tài)自平衡控制原理框圖；圖2是上假肢自然下垂時(shí)傾角傳感器與上假肢的安裝位置關(guān)系圖3是前臂向上抬起到水平位置時(shí)，手部虎口朝上示意圖；圖4是前臂向上抬起到水平位置時(shí)，手部虎口朝內(nèi)示意圖；圖5是前臂向上抬起到水平位置時(shí)，手部虎口朝外示意圖；圖6是前臂上抬一個(gè)角度但是還未到達(dá)水平位置時(shí)，手腕俯仰舵機(jī)未做平衡調(diào)整前手部姿態(tài)示意圖；圖7是前臂上抬一個(gè)角度但是還未到達(dá)水平位置時(shí)，手腕俯仰舵機(jī)做平衡調(diào)整后手部姿態(tài)示意圖；圖8是前臂上抬一個(gè)角度并且超過(guò)水平位置時(shí)，手腕俯仰舵機(jī)未做平衡調(diào)整前手部姿態(tài)示意
圖9是前臂上抬一個(gè)角度并且超過(guò)水平位置時(shí)，手腕俯仰舵機(jī)做平衡調(diào)整后手部姿態(tài)示意圖；圖10是傾角傳感器上的X軸和Y軸方向示意圖；圖11是手部平衡控制器的電路框圖。圖中I-手部平衡控制器，2-傾角傳感器，3-前臂扭轉(zhuǎn)舵機(jī)，4-手腕俯仰舵機(jī)，5-傾角傳感器的X軸，6-傾角傳感器的Y軸，7-MCU，8-電源管理模塊，9-串口，10-模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。
具體實(shí)施例方式下面根據(jù)附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明。如圖I、圖2所示，本發(fā)明上假肢手部姿態(tài)自平衡控制系統(tǒng)，是在上假肢的前臂上固定有傾角傳感器2，它還包括有手部平衡控制器1，手部平衡控制器I通過(guò)串口 9與上假肢的前臂扭轉(zhuǎn)舵機(jī)3和手腕俯仰舵機(jī)4連接；傾角傳感器2將實(shí)時(shí)檢測(cè)到的前臂姿態(tài)變化數(shù)據(jù)信息通過(guò)手部平衡控制器I內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路10發(fā)送到手部平衡控制器I內(nèi)，手部平衡控制器I實(shí)時(shí)控制調(diào)整前臂扭轉(zhuǎn)舵機(jī)3和手腕俯仰舵機(jī)4的運(yùn)動(dòng)方向和角度，從而使手部虎口方向保持垂直向上；上述的前臂姿態(tài)變化數(shù)據(jù)信息包括兩個(gè)傾斜角度，如圖10所示，一是傾角傳感器2的X軸5相對(duì)于水平面的傾斜角度，即人體的前后方向，二是傾角傳感器2的Y軸6相對(duì)于水平面的傾斜角度，即人體的左右方向；其中如圖11所示，所述的手部平衡控制器I由MCU 7、電源管理模塊8、串口 9和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路10連接組成。為了便于實(shí)施，根據(jù)圖2-10再描述實(shí)施例的工作原理。一、傾角傳感器2的安裝要求當(dāng)肘部關(guān)節(jié)處于自然下垂?fàn)顟B(tài)情形下，調(diào)整前臂扭轉(zhuǎn)舵機(jī)3和手腕俯仰舵機(jī)4，使假肢手部與前臂處于自然順直狀態(tài)并且虎口方向水平朝向人體的前方。將傾角傳感器2安裝在受前臂扭轉(zhuǎn)舵機(jī)3驅(qū)動(dòng)的前臂的某一個(gè)位置上，其在前臂的上下位置可以變化，但是一定要保證傾角傳感器2的X軸5和Y軸6所構(gòu)成的平面與此時(shí)手部虎口所處的平面平行，而且一定要保證傾角傳感器2的X軸5的方向與前臂的中軸線平行，Y軸6的方向與前臂的中軸線垂直，如圖2所示。用傾角傳感器2可以感測(cè)其本身的X軸5和Y軸6與水平面的傾斜角度(其表達(dá)的是前臂的空間姿態(tài))，這里設(shè)為a和P，測(cè)量范圍為0° -180°。當(dāng)前臂自然下垂時(shí)，如圖2所示，a =0° (此時(shí)傾角傳感器2的X軸5方向處于鉛垂?fàn)顟B(tài))；當(dāng)前臂上抬至水平姿態(tài)時(shí)，如圖3所示，a =90° (此時(shí)傾角傳感器2的X軸5方向處于水平狀態(tài))；當(dāng)前臂上舉至垂直時(shí)，a =180° (此時(shí)傾角傳感器2的X軸5方向處于垂直向上狀態(tài))；當(dāng)前臂端平且假肢手部與前臂處于自然順直狀態(tài)，轉(zhuǎn)動(dòng)前臂扭轉(zhuǎn)舵機(jī)3使假肢手部的虎口垂直向上時(shí)，如圖3所示，P =90° (此時(shí)傾角傳感器2的Y軸6方向處于水平狀態(tài))；當(dāng)前臂端平且假肢手部與前臂處于自然順直狀態(tài)，轉(zhuǎn)動(dòng)前臂扭轉(zhuǎn)舵機(jī)3使假肢手部的虎口方向水平指向身體內(nèi)側(cè)時(shí)，如圖4所示，@ =0° (此時(shí)傾角傳感器2的Y軸6方向處于箭頭向下鉛垂?fàn)顟B(tài))；當(dāng)前臂端平且假肢手部與前臂處于自然順直狀態(tài)，轉(zhuǎn)動(dòng)前臂扭轉(zhuǎn)舵機(jī)3使假肢手部的虎口方向水平指向身體外側(cè)時(shí)，如圖5所示，P =180° (此時(shí)傾角傳感器2的Y軸6方向處于箭頭垂直向上狀態(tài))。二、手腕俯仰舵機(jī)4保持平衡原理當(dāng)手部平衡控制器I接收到傾角傳感器2實(shí)時(shí)測(cè)得的a < 90° (如圖6所示)，則手部平衡控制器I就會(huì)控制手腕俯仰舵機(jī)4上抬的角度值為I a -90° I，手腕俯仰舵機(jī)4運(yùn)動(dòng)到位后，假肢手部的姿態(tài)將如圖7所示； 當(dāng)手部平衡控制器I接收到傾角傳感器2實(shí)時(shí)測(cè)得的a > 90° (如圖8所示)，則手部平衡控制器I就會(huì)控制手腕俯仰舵機(jī)4下落的角度值為I a -90° I，手腕俯仰舵機(jī)4運(yùn)動(dòng)到位后，假肢手部的姿態(tài)將如圖9所示；當(dāng)手部平衡控制器I接收到傾角傳感器2實(shí)時(shí)測(cè)得的a = 90° (如圖3所示)，則手部平衡控制器I就會(huì)控制手腕俯仰舵機(jī)4轉(zhuǎn)動(dòng)的角度值為I a-90° I =0°，即此時(shí)，手腕俯仰舵機(jī)4不需要轉(zhuǎn)動(dòng)就能保證假肢手部的虎口方向垂直向上。一、前臂扭轉(zhuǎn)舵機(jī)3保持平衡原理當(dāng)手部平衡控制器I接收到傾角傳感器2實(shí)時(shí)測(cè)得的P <90°時(shí)(如圖4所示)，說(shuō)明假肢手部虎口向身體內(nèi)側(cè)傾斜，手部平衡控制器I就會(huì)控制前臂扭轉(zhuǎn)舵機(jī)3向身體外側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)前臂及安裝在其上面的傾角傳感器2向身體外側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，使傾角傳感器2實(shí)時(shí)測(cè)得的P的值由P < 90°向P = 90°變化；當(dāng)前臂扭轉(zhuǎn)舵機(jī)2到達(dá)平衡位置= 90° )時(shí)，假肢手部姿態(tài)將如圖3所示；當(dāng)手部平衡控制器I接收到傾角傳感器2實(shí)時(shí)測(cè)得的P >90°時(shí)(如圖5所示)，說(shuō)明假肢手部虎口向身體外側(cè)傾斜，手部平衡控制器I就會(huì)控制前臂扭轉(zhuǎn)舵機(jī)3向身體內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)前臂及安裝在其上面的傾角傳感器2向身體內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，使傾角傳感器2實(shí)時(shí)測(cè)得的3的值由P > 90°向P = 90°變化；當(dāng)前臂扭轉(zhuǎn)舵機(jī)3到達(dá)平衡位置= 90° )時(shí)，假肢手部姿態(tài)將如圖3所示；當(dāng)手部平衡控制器I接收到傾角傳感器2實(shí)時(shí)測(cè)得的P =90°時(shí)，如圖3所示，說(shuō)明此時(shí)假肢手部的虎口方向垂直向上，這樣手部平衡控制器I就不會(huì)控制前臂扭轉(zhuǎn)舵機(jī)3轉(zhuǎn)動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種上假肢手部姿態(tài)自平衡控制系統(tǒng)，它包括手部平衡控制器和固定在上假肢前臂上的傾角傳感器，手部平衡控制器通過(guò)串口與上假肢的前臂扭轉(zhuǎn)舵機(jī)和手腕俯仰舵機(jī)連接; 所述的手部平衡控制器由MCU、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、電源管理模塊和串口連接組成； 上述傾角傳感器是一種電壓型雙軸傾角傳感器。
2.一種如權(quán)利要求I所述的上假肢手部姿態(tài)自平衡控制系統(tǒng)的工作方法，其特征在于 第一步傾角傳感器的安裝 將傾角傳感器安裝在受前臂扭轉(zhuǎn)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的前臂的某一個(gè)位置上，傾角傳感器安裝要求如下傾角傳感器在前臂的上下位置允許變化，但是一定要保證傾角傳感器的X軸和Y軸所構(gòu)成的平面與此時(shí)手部虎口所處的平面平行，而且一定要保證傾角傳感器的X軸的方向與前臂的中軸線平行，Y軸的方向與前臂的中軸線垂直； 第二步控制上假肢手部姿態(tài)保持平衡，具體分為以下兩個(gè)方面 一是控制手腕俯仰舵機(jī)保持平衡當(dāng)手部平衡控制器接收到傾角傳感器實(shí)時(shí)測(cè)得的傾角傳感器的X軸向下偏離水平面并和水平面形成一個(gè)夾角時(shí)，則手部平衡控制器就會(huì)控制手腕俯仰舵機(jī)上抬相應(yīng)的角度；當(dāng)手部平衡控制器接收到傾角傳感器實(shí)時(shí)測(cè)得的傾角傳感器的X軸向上偏離水平面并和水平面形成一個(gè)夾角時(shí)，則手部平衡控制器就會(huì)控制手腕俯仰舵機(jī)下落相應(yīng)的角度；當(dāng)手部平衡控制器接收到傾角傳感器實(shí)時(shí)測(cè)得的傾角傳感器的X軸與水平面平行時(shí)，則手部平衡控制器就不需要控制手腕俯仰舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)； 二是控制前臂扭轉(zhuǎn)舵機(jī)保持平衡 當(dāng)手部平衡控制器接收到傾角傳感器實(shí)時(shí)測(cè)得的傾角傳感器的Y軸向下偏離水平面并和水平面形成一個(gè)夾角時(shí)，說(shuō)明假肢手部虎口向身體內(nèi)側(cè)傾斜，手部平衡控制器就會(huì)控制前臂扭轉(zhuǎn)舵機(jī)向身體外側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)前臂及安裝在其上面的傾角傳感器向身體外側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，使傾角傳感器的Y軸方向由向下偏離水平面逐漸向與水平面平行變化； 當(dāng)手部平衡控制器接收到傾角傳感器實(shí)時(shí)測(cè)得的傾角傳感器的Y軸向上偏離水平面并和水平面形成一個(gè)夾角時(shí)，說(shuō)明假肢手部虎口向身體外側(cè)傾斜，手部平衡控制器就會(huì)控制前臂扭轉(zhuǎn)舵機(jī)向身體內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)前臂及安裝在其上面的傾角傳感器向身體內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，使傾角傳感器的Y軸方向由向上偏離水平面逐漸向與是平面平行變化； 當(dāng)手部平衡控制器接收到傾角傳感器的Y軸與水平面平行時(shí)，說(shuō)明此時(shí)假肢手部的虎口方向垂直向上，這樣手部平衡控制器就不需要控制前臂扭轉(zhuǎn)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。
3.如權(quán)利要求2所述的工作方法，其特征在于 第一步傾角傳感器(2)的安裝要求 當(dāng)肘部關(guān)節(jié)處于自然下垂?fàn)顟B(tài)情形下，調(diào)整前臂扭轉(zhuǎn)舵機(jī)(3)和手腕俯仰舵機(jī)(4)，使假肢手部與前臂處于自然順直狀態(tài)并且虎口方向水平朝向人體的前方；將傾角傳感器(2)安裝在受前臂扭轉(zhuǎn)舵機(jī)(3)驅(qū)動(dòng)的前臂的某一個(gè)位置上，其在前臂的上下位置允許變化，但是一定要保證傾角傳感器(2)的X軸(5)和Y軸(6)所構(gòu)成的平面與此時(shí)手部虎口所處的平面平行，而且一定要保證傾角傳感器(2)的X軸(5)的方向與前臂的中軸線平行，Y軸(6)的方向與前臂的中軸線垂直；用傾角傳感器(2)感測(cè)其本身的X軸(5)和Y軸￠)與水平面的傾斜角度，這里設(shè)為a和P，測(cè)量范圍為0° -180° ； 當(dāng)前臂自然下垂吋，a = 0°，此時(shí)傾角傳感器(2)的X軸5方向處于鉛垂?fàn)顟B(tài)； 當(dāng)前臂上抬至水平姿態(tài)時(shí)，a =90°，此時(shí)傾角傳感器(2)的X軸(5)方向處于水平狀態(tài)； 當(dāng)前臂上舉至垂直吋，a = 180°，此時(shí)傾角傳感器(2)的X軸(5)方向處于垂直向上狀態(tài)； 當(dāng)前臂端平且假肢手部與前臂處于自然順直狀態(tài)，轉(zhuǎn)動(dòng)前臂扭轉(zhuǎn)舵機(jī)(3)使假肢手部的虎口垂直向上時(shí)，^ =90°，此時(shí)傾角傳感器⑵的Y軸(6)方向處于水平狀態(tài)； 當(dāng)前臂端平且假肢手部與前臂處于自然順直狀態(tài)，轉(zhuǎn)動(dòng)前臂扭轉(zhuǎn)舵機(jī)(3)使假肢手部的虎口方向水平指向身體內(nèi)側(cè)時(shí)￠=0°，此時(shí)傾角傳感器⑵的Y軸(6)方向處于箭頭向下鉛垂?fàn)顟B(tài)； 當(dāng)前臂端平且假肢手部與前臂處于自然順直狀態(tài)，轉(zhuǎn)動(dòng)前臂扭轉(zhuǎn)舵機(jī)(3)使假肢手部的虎口方向水平指向身體外側(cè)時(shí)，^ = 180°，此時(shí)傾角傳感器⑵的Y軸(6)方向處于箭頭垂直向上狀態(tài)； 第二步控制上假肢手部姿態(tài)保持平衡，具體分為以下兩個(gè)方面 一是控制手腕俯仰舵機(jī)保持平衡 當(dāng)手部平衡控制器(I)接收到傾角傳感器(2)實(shí)時(shí)測(cè)得的a <90°，則手部平衡控制器(I)就會(huì)控制手腕俯仰舵機(jī)(4)上抬的角度值為I a -90° I，手腕俯仰舵機(jī)(4)運(yùn)動(dòng)到位，假肢手部達(dá)到平衡姿態(tài)； 當(dāng)手部平衡控制器(I)接收到傾角傳感器(2)實(shí)時(shí)測(cè)得的a >90°，則手部平衡控制器(I)就會(huì)控制手腕俯仰舵機(jī)(4)下落的角度值為I a -90° I，手腕俯仰舵機(jī)(4)運(yùn)動(dòng)到位，假肢手部達(dá)到平衡姿態(tài)； 當(dāng)手部平衡控制器(I)接收到傾角傳感器(2)實(shí)時(shí)測(cè)得的a = 90°，則手部平衡控制器⑴就會(huì)控制手腕俯仰舵機(jī)⑷轉(zhuǎn)動(dòng)的角度值為I a -90° I = 0°，即此時(shí)，手腕俯仰舵機(jī)(4)不需要轉(zhuǎn)動(dòng)就能保證假肢手部的虎口方向垂直向上； ニ是控制前臂扭轉(zhuǎn)舵機(jī)保持平衡 當(dāng)手部平衡控制器(I)接收到傾角傳感器(2)實(shí)時(shí)測(cè)得的P <90°時(shí)，說(shuō)明假肢手部虎口向身體內(nèi)側(cè)傾斜，手部平衡控制器⑴就會(huì)控制前臂扭轉(zhuǎn)舵機(jī)⑶向身體外側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)前臂及安裝在其上面的傾角傳感器(2)向身體外側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，使傾角傳感器(2)實(shí)時(shí)測(cè)得的^的值由P < 90°向P = 90°變化，使前臂扭轉(zhuǎn)舵機(jī)(3)到達(dá)P = 90°的平衡位置；當(dāng)手部平衡控制器(I)接收到傾角傳感器(2)實(shí)時(shí)測(cè)得的P >90°時(shí)，說(shuō)明假肢手部虎口向身體外側(cè)傾斜，手部平衡控制器⑴就會(huì)控制前臂扭轉(zhuǎn)舵機(jī)(3)向身體內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)前臂及安裝在其上面的傾角傳感器(2)向身體內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，使傾角傳感器(2)實(shí)時(shí)測(cè)得的^的值由P > 90°向P = 90°變化，使前臂扭轉(zhuǎn)舵機(jī)(3)到達(dá)P = 90°的平衡位置； 當(dāng)手部平衡控制器(I)接收到傾角傳感器(2)實(shí)時(shí)測(cè)得的P = 90°吋，說(shuō)明此時(shí)假肢手部的虎口方向垂直向上，這樣手部平衡控制器(I)就不會(huì)控制前臂扭轉(zhuǎn)舵機(jī)(3)轉(zhuǎn)動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種上假肢手部姿態(tài)自平衡控制系統(tǒng)及其工作方法，它包括手部平衡控制器和固定在上假肢前臂上的電壓型雙軸傾角傳感器，手部平衡控制器通過(guò)串口與上假肢的前臂扭轉(zhuǎn)舵機(jī)和手腕俯仰舵機(jī)連接；所述的手部平衡控制器由MCU、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、電源管理模塊和串口連接組成。在手臂做運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器將實(shí)時(shí)檢測(cè)到的前臂姿態(tài)變化數(shù)據(jù)信息通過(guò)控制器內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路發(fā)送到控制器內(nèi)，控制器可以根據(jù)傳感器檢測(cè)到的傾斜角度，來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)前臂扭轉(zhuǎn)舵機(jī)和手腕俯仰舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向及轉(zhuǎn)角大小，以使上假肢手部的虎口方向保持垂直向上，實(shí)現(xiàn)了手臂做任意的上下、左右、前后運(yùn)動(dòng)時(shí)，都能夠自動(dòng)保持上假肢或機(jī)械手的手部姿態(tài)平衡穩(wěn)定。
文檔編號(hào)B25J13/08GK102764166SQ20121026724
公開(kāi)日2012年11月7日 申請(qǐng)日期2012年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月20日
發(fā)明者周凱, 李建功, 樊炳輝, 紀(jì)鵬, 趙振愛(ài) 申請(qǐng)人:山東科技大學(xué)