專利名稱：假手握力自適應(yīng)控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種假手握力自適應(yīng)控制裝置，屬康復(fù)工程領(lǐng)域和機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。
目前肌電假手一般不具備握力自適應(yīng)性和握物感覺的反饋能力，在使用過程中，截肢者只能靠視覺來判斷假手與物體的接觸狀態(tài)，而握物時握力的大小也無法了解和控制，造成握物失誤率高等問題，這樣就給使用者帶來許多不便和心理壓力。例如貝爾格萊德手有一個由三組壓感元件組成的壓力反饋系統(tǒng)，由于它的作用，假手一旦被觸發(fā)啟動以后，就自動地以預(yù)定大小的握力握住物體，此握力不因物體重量和質(zhì)地的不同而改變，而且也無反饋到使用者的控制。
本發(fā)明的目的是設(shè)計一種假手握力自適應(yīng)控制裝置，以實現(xiàn)假手的握力自適應(yīng)控制和握物感覺的反饋。在控制裝置中，用觸、覺傳感器進(jìn)行握物狀態(tài)識別，用壓覺傳感器跟蹤檢測握物時握力的大小，用滑覺傳感器檢測指物間任何方向的滑移，實現(xiàn)握力的補(bǔ)償，達(dá)到以臨界握力握物。使截肢者在使用肌電假手時，有真肢感。
本發(fā)明設(shè)計的假手握力自適應(yīng)控制裝置，由下列幾部分組成(1)置于手指機(jī)構(gòu)上的滑覺傳感器及其信號處理電路，用以將手指與物體間有滑移時測得的脈沖信號經(jīng)U1，U2電平轉(zhuǎn)換和邏輯門U3后變成滑移信號Vsl;
(2)置于手指機(jī)構(gòu)上的觸、壓覺傳感器及其信號處理電路，用以將手指與物體間的接觸力信號經(jīng)U5，U6信號放大后得到壓力信號Vp，再經(jīng)運(yùn)算比較器U7后，得到觸覺信號Vt;
(3)譯碼器U8和邏輯門U9，用以將來自人體的屈肌肌電信號Vg、伸肌肌電信號Vs和上述滑移信號Vsl，觸覺信號Vt一起進(jìn)行優(yōu)先權(quán)識別，并產(chǎn)生控制信號S1和S2;
(4)反饋裝置U10，用以將觸覺信號Vt向人體反饋，反饋方式可以是電刺激、機(jī)械刺激、光反饋、聲反饋中的任何一種;
(5)放大器U11，用以將上述第3步得到的控制信號S1和S2放大后，控制電機(jī)正反轉(zhuǎn);
(6)電機(jī)正反轉(zhuǎn)開關(guān)U12和U13，接受控制信號S1和S2;
(7)正反轉(zhuǎn)電機(jī)在U12和U13的控制下轉(zhuǎn)動，并控制假手握力機(jī)構(gòu)。
本發(fā)明所用的滑覺傳感器，由小球、圓柱形滾子、支撐軸和探針等組成。傳感器的殼體上開有Y形凹槽，小球置于凹槽中心，小球下面有三個圓柱形滾子支撐。殼體側(cè)面開有三個長孔，其軸線成三角形。圓柱形滾子穿在支撐軸上，支撐軸的二端架在小孔上。探針共有四個，其中二個分別裝在兩滾子的徑向外側(cè)，另二個分別裝在兩滾子的軸向端面一側(cè);滾子的外圓柱面上，間隔分布有金屬區(qū)和非金屬區(qū)。
本發(fā)明所用的觸、壓覺傳感器，由加載螺釘、鎖緊及調(diào)節(jié)螺母、傳力彎板、保護(hù)板、彈性梁和應(yīng)變片等組成。加載螺釘與鎖緊及調(diào)節(jié)螺母同軸安裝在傳力彎板的一端，傳力彎板的另一端與彈性梁的一端相對固定，彈性梁的另一端與保護(hù)板的端部一起，用緊固螺釘固定在外殼上。保護(hù)板懸臂端置于彈性梁與傳力彎板之間。


圖1是本發(fā)明設(shè)計的控制裝置的電路控制框圖。
圖2是自適應(yīng)控制裝置的電路圖。
圖3是本發(fā)明所用的觸、壓、覺傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明所用的滑覺傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是圖4的俯視圖。
下面結(jié)合附圖，詳細(xì)介紹本發(fā)明的內(nèi)容。假手握力自適應(yīng)裝置是為了實現(xiàn)假手的握力自適應(yīng)控制和握物感覺的反饋，它涉及到控制模式和人工感覺傳感器的研究。此控制裝置是由一個到控制系統(tǒng)的反饋和一個到人體的反饋組成，在控制裝置中觸、壓、滑覺傳感器置于手部。用觸覺傳感器進(jìn)行握物狀態(tài)識別，用壓覺傳感器跟蹤檢測握物時握力的大小，用滑覺傳感器檢測指物間任何方向的滑移，實現(xiàn)握力的補(bǔ)償，達(dá)到以臨界握力握物。在控制系統(tǒng)中設(shè)計了檢測指物間接觸狀態(tài)和力覺的觸壓覺傳感器和檢測指物間任何方向滑移的滑覺傳感器。
當(dāng)使用者想握取某物體時，大腦的運(yùn)動意識通過神經(jīng)系統(tǒng)傳到肌肉，引起肌肉收縮。肌肉收縮產(chǎn)生肌肉的電活動，即肌電信號，拾取伸肌肌電和屈肌肌電信號，經(jīng)處理后作為控制假手伸展和內(nèi)握的控制信號，另外也將置于假手手部的滑覺傳感器產(chǎn)生的信號作為假手內(nèi)握的控制信號，通過對伸肌肌電信號(Vs)、屈肌肌電信號(Vg)、觸覺信號(Vt)和滑覺信號(Vsl)進(jìn)行優(yōu)先級的限制和識別來對假手動作進(jìn)行控制。在設(shè)計中，它們的優(yōu)先級情況如下<

<p>當(dāng)伸肌肌電為0而屈肌肌電為1時即使用者欲使假手作握取動作。此時，控制電機(jī)正轉(zhuǎn)的開關(guān)接通電機(jī)經(jīng)傳動機(jī)構(gòu)帶動手指內(nèi)握。當(dāng)指物間有接觸時，產(chǎn)生觸覺信號，觸覺信號經(jīng)放大處理后作為系統(tǒng)反饋信號，控制反饋裝置，使用者可通過識別反饋裝置的狀態(tài)(此時為1)來進(jìn)行下一個動作即把物體拿起來。假若此時握力足夠大，則指物間無滑移信號，即完成了握物動作;假若此時握力不足，則指物間將有滑移，通過置于手指的滑覺傳感器檢測到此滑移，此時滑移傳感器的輸出為一個脈沖信號，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)變電路將其變?yōu)橐粋€電平信號(輸出為1或0)用此信號來控制電機(jī)繼續(xù)正轉(zhuǎn)，假手繼續(xù)內(nèi)握直至指物間無滑移。
為了實時檢測和跟蹤握物過程中握力的大小，用壓力傳感器來進(jìn)行壓力檢測。
當(dāng)伸肌肌電為1時，不論其它信號如何，假手都作外伸動作。
圖2是自適應(yīng)控制裝置的電路圖。圖中，U0是滑覺傳感器中的滾子，其圓柱表面沿母線方向有等間距交替排列的金屬與非金屬區(qū)域。U4是觸壓覺傳感器電路。
圖3是自適應(yīng)控制裝置中所用的觸、壓覺傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1是傳力彎板，2是加載螺釘，3是鎖緊及調(diào)節(jié)螺母，4是保護(hù)板，5是彈性梁，6是外殼，7是應(yīng)變片，8是緊固螺釘。在彈性梁5上貼有應(yīng)變片7，當(dāng)在加載螺釘2上作用力P時，通過檢測彈性梁5的變形可以求出力P的大小，當(dāng)P逐漸增大，至某一值Po時，加載螺釘2與保護(hù)板4接觸，此時不論P(yáng)再增大多少，彈性梁5不再變形，這樣保護(hù)了彈性梁。另外，可以通過調(diào)節(jié)加載螺釘?shù)奈恢脕韺崿F(xiàn)所檢測力量程的變化。
當(dāng)手指與被握物體接觸后，這時的接觸力由傳感器檢測到，這個力與一個可調(diào)的基準(zhǔn)力進(jìn)行比較，當(dāng)接觸力大于比較基準(zhǔn)力時，比較器輸出一個高電平信號，此信號即為指物間接觸的信號，否則為低電平，表明指物尚未接觸，假手繼續(xù)內(nèi)握。利用這個接觸信號來控制反饋裝置，可實現(xiàn)握物狀態(tài)向人體的反饋。這樣使用者不必靠視覺判斷，指物間接觸情況，減少了使用者的負(fù)擔(dān)和心里壓力，同時避免了由于視覺判斷造成的失誤。
圖4和圖5是滑覺傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。圖4和圖5中，10是小球，11是傳感器上蓋，12是傳感器外殼，13是探針，14是圓柱形滾子，15是小孔，16是支撐軸，17是Y形凹槽。
小球10由三個滾子14支撐，小球稍高出于傳感器上蓋平面。三個滾子設(shè)計成短圓柱形，其中的二個滾子在外圓柱表面沿母線方向有等間距交替排列的金屬與非金屬區(qū)域。小球由三個滾子支承，滾子由殼體支承，其中兩個滾子測面和端部分別與置于殼體的金屬探針Z1(Z3)和Z2(Z4)接觸。使用時，滑覺傳感器置于假手指端。由于滑覺傳感器中的小球略高于指面，所以當(dāng)指物間有任何方向的滑移時，小球動，并帶動滾子動，滾子轉(zhuǎn)動可由探針(Z1，Z2)或(Z3，Z4)檢測出，指物滑移量，即小球任何方向的轉(zhuǎn)動量都可以從兩個支撐滾子上檢出，所以三個滾子中有一個滾子只起支承作用。將(Z1，Z2)，(Z3，Z4)接入圖(2)所示的電路中，則當(dāng)指物間有滑移時，由(Z1，Z2)，(Z3，Z4)檢測得到的輸出為脈沖信號，此脈沖信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后成為電平信號，此信號作為手指是否內(nèi)握的控制信號。
本控制裝置向人體的反饋方法可以有電刺激和機(jī)械刺激方法，也可以用聽覺和視覺刺激方法。電刺激方法依靠裝于假手適當(dāng)部位的壓力變換器檢測假手的動作狀態(tài)，使之變換為人體皮膚能感覺的脈沖頻率，刺激人體。機(jī)械刺激依靠假手上的壓力傳感器把獲得的信號轉(zhuǎn)換成頻率，并用機(jī)械振子刺激人體，從而獲得感覺。聽覺和視覺刺激的方法是依靠假手上的壓力或其它傳感器，把獲得的信號轉(zhuǎn)換成人體可以靠聽覺和視覺分辯的信號，刺激人體，實現(xiàn)感覺反饋。
權(quán)利要求
1.一種假手握力自適應(yīng)控制裝置，其特征在于該裝置由下列各部分組成(1)置于手指機(jī)構(gòu)上的滑覺傳感器及其信號處理電路，用以將手指與物體間有滑移時測得的脈沖信號經(jīng)U1，U2電平轉(zhuǎn)換和邏輯門U3后變成滑移信號Vsl；(2)置于手指機(jī)構(gòu)上的觸、壓覺傳感器及其信號處理電路，用以將手指與物體間的接觸力信號，經(jīng)U5，U6信號放大后得到壓力信號Vp，再經(jīng)運(yùn)算比較器U7后，得到觸覺信號Vt；(3)譯碼器U8和邏輯門U9，用以將來自人體的屈肌肌電信號Vg，伸肌肌電信號Vs以及上述滑移信號Vsl、觸覺信號Vt一起進(jìn)行優(yōu)先權(quán)識別，并產(chǎn)生控制信號S1和S2；(4)反饋裝置U10，用以將觸覺信號Vt向人體反饋，反饋方式是電刺激機(jī)械刺激、光反饋、聲反饋中的任何一種；(5)放大器U11，用以將上述第3步得到的控制信號S1和S2放大后，控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)；(6)電機(jī)正反轉(zhuǎn)開關(guān)U12和U13，接受控制信號S1和S2；(7)正反轉(zhuǎn)電機(jī)在U12和U13的控制下轉(zhuǎn)動，并控制假手握力機(jī)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)控制裝置，其特征在于其中所述的觸、壓覺傳感器由加載螺釘、鎖緊及調(diào)節(jié)螺母、傳力彎板、保護(hù)板、彈性梁和應(yīng)變片組成;加載螺釘與鎖緊及調(diào)節(jié)螺母同軸安裝在傳力彎板的一端，傳力彎板的另一端與彈性梁的一端相對固定，彈性梁的另一端與保護(hù)板的端部一起，用緊固螺釘固定在外殼上，保護(hù)板懸臂端置于彈性梁與傳力彎板之間。
3.如權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)控制裝置，其特征在于其中所述的滑覺傳感器由小球、圓柱形滾子、支撐軸和探針組成，傳感器的殼體上開有Y形凹槽，小球置于凹槽中心，小球下面有三個圓柱形滾子支撐;殼體側(cè)面開有三個長孔，其軸線成三角形，圓柱形滾子穿在支撐軸上，支撐軸的二端架在小孔上;探針共有四個，其中二個分別裝在兩個滾子的徑向外側(cè)，另二個分別裝在兩滾子的軸向端面一側(cè);滾子的外圓柱面上，間隔分布有金屬區(qū)和非金屬區(qū)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種假手握力自適應(yīng)控制裝置，以實現(xiàn)假手的握力自適應(yīng)控制和握物感覺的反饋。在控制裝置中，用觸覺傳感器進(jìn)行握物狀態(tài)識別，用壓覺傳感器跟蹤檢測握物時握力的大小，用滑覺傳感器檢測指物間任何方向的滑移。再將來自人體的屈肌肌電信號、伸肌肌電信號、滑信號和觸覺信號一起進(jìn)行優(yōu)先權(quán)識別并產(chǎn)生控制信號，該信號經(jīng)放大后用以控制正、反轉(zhuǎn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，并進(jìn)而控制假手動作。本控制裝置使截肢者使用肌電假手時有真肢感。
文檔編號A61F2/54GK1108520SQ9411965
公開日1995年9月20日 申請日期1994年12月16日 優(yōu)先權(quán)日1994年12月16日
發(fā)明者郝智秀, 申永勝 申請人:清華大學(xué)