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(jué)的反饋能力，在使用過(guò)程中，截肢者只能靠視覺(jué)來(lái)判斷假手與物體的接觸狀態(tài)，而握物時(shí)握力的大小也無(wú)法了解和控制，造成握物失誤率高等問(wèn)題，這樣就給使用者帶來(lái)許多不便和心理壓力。例如貝爾格萊德手有一個(gè)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(dòng)以后，就自動(dòng)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(wú)反饋到使用者的控制。
本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種假手握力自適應(yīng)控制裝置，以實(shí)現(xiàn)假手的握力自適應(yīng)控制和握物感覺(jué)的反饋。在控制裝置中，用觸、覺(jué)傳感器進(jìn)行握物狀態(tài)識(shí)別，用壓覺(jué)傳感器跟蹤檢測(cè)握物時(shí)握力的大小，用滑覺(jué)傳感器檢測(cè)指物間任何方向的滑移，實(shí)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(shí)，有真肢感。
本發(fā)明設(shè)計(jì)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(jué)傳感器及其信號(hào)處理電路，用以將手指與物體間有滑移時(shí)測(cè)得的脈沖信號(hào)經(jīng)U1，U2電平轉(zhuǎn)換和邏輯門U3后變成滑移信號(hào)Vsl;
(2)置于手指機(jī)構(gòu)上的觸、壓覺(jué)傳感器及其信號(hào)處理電路，用以將手指與物體間的接觸力信號(hào)經(jīng)U5，U6信號(hào)放大后得到壓力信號(hào)Vp，再經(jīng)運(yùn)算比較器U7后，得到觸覺(jué)信號(hào)Vt;
(3)譯碼器U8和邏輯門U9，用以將來(lái)自人體的屈肌肌電信號(hào)Vg、伸肌肌電信號(hào)Vs和上述滑移信號(hào)Vsl，觸覺(jué)信號(hào)Vt一起進(jìn)行優(yōu)先權(quán)識(shí)別，并產(chǎn)生控制信號(hào)S1和S2;
(4)反饋裝置U10，用以將觸覺(jué)信號(hào)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(hào)S1和S2放大后，控制電機(jī)正反轉(zhuǎn);
(6)電機(jī)正反轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)U12和U13，接受控制信號(hào)S1和S2;
(7)正反轉(zhuǎn)電機(jī)在U12和U13的控制下轉(zhuǎn)動(dòng)，并控制假手握力機(jī)構(gòu)。
本發(fā)明所用的滑覺(jué)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(kāi)有Y形凹槽，小球置于凹槽中心，小球下面有三個(gè)圓柱形滾子支撐。殼體側(cè)面開(kāi)有三個(gè)長(zhǎng)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(gè)，其中二個(gè)分別裝在兩滾子的徑向外側(cè)，另二個(gè)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(jué)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(duì)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(jì)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(jué)傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明所用的滑覺(jué)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(shí)現(xiàn)假手的握力自適應(yīng)控制和握物感覺(jué)的反饋，它涉及到控制模式和人工感覺(jué)傳感器的研究。此控制裝置是由一個(gè)到控制系統(tǒng)的反饋和一個(gè)到人體的反饋組成，在控制裝置中觸、壓、滑覺(jué)傳感器置于手部。用觸覺(jué)傳感器進(jìn)行握物狀態(tài)識(shí)別，用壓覺(jué)傳感器跟蹤檢測(cè)握物時(shí)握力的大小，用滑覺(jué)傳感器檢測(cè)指物間任何方向的滑移，實(shí)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(jì)了檢測(cè)指物間接觸狀態(tài)和力覺(jué)的觸壓覺(jué)傳感器和檢測(cè)指物間任何方向滑移的滑覺(jué)傳感器。
當(dāng)使用者想握取某物體時(shí)，大腦的運(yùn)動(dòng)意識(shí)通過(guò)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(dòng)，即肌電信號(hào)，拾取伸肌肌電和屈肌肌電信號(hào)，經(jīng)處理后作為控制假手伸展和內(nèi)握的控制信號(hào)，另外也將置于假手手部的滑覺(jué)傳感器產(chǎn)生的信號(hào)作為假手內(nèi)握的控制信號(hào)，通過(guò)對(duì)伸肌肌電信號(hào)(Vs)、屈肌肌電信號(hào)(Vg)、觸覺(jué)信號(hào)(Vt)和滑覺(jué)信號(hào)(Vsl)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)的限制和識(shí)別來(lái)對(duì)假手動(dòng)作進(jìn)行控制。在設(shè)計(jì)中，它們的優(yōu)先級(jí)情況如下<

<p>當(dāng)伸肌肌電為0而屈肌肌電為1時(shí)即使用者欲使假手作握取動(dòng)作。此時(shí)，控制電機(jī)正轉(zhuǎn)的開(kāi)關(guān)接通電機(jī)經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)手指內(nèi)握。當(dāng)指物間有接觸時(shí)，產(chǎn)生觸覺(jué)信號(hào)，觸覺(jué)信號(hào)經(jīng)放大處理后作為系統(tǒng)反饋信號(hào)，控制反饋裝置，使用者可通過(guò)識(shí)別反饋裝置的狀態(tài)(此時(shí)為1)來(lái)進(jìn)行下一個(gè)動(dòng)作即把物體拿起來(lái)。假若此時(shí)握力足夠大，則指物間無(wú)滑移信號(hào)，即完成了握物動(dòng)作;假若此時(shí)握力不足，則指物間將有滑移，通過(guò)置于手指的滑覺(jué)傳感器檢測(cè)到此滑移，此時(shí)滑移傳感器的輸出為一個(gè)脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)變電路將其變?yōu)橐粋€(gè)電平信號(hào)(輸出為1或0)用此信號(hào)來(lái)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(wú)滑移。
為了實(shí)時(shí)檢測(cè)和跟蹤握物過(guò)程中握力的大小，用壓力傳感器來(lái)進(jìn)行壓力檢測(cè)。
當(dāng)伸肌肌電為1時(shí)，不論其它信號(hào)如何，假手都作外伸動(dòng)作。
圖2是自適應(yīng)控制裝置的電路圖。圖中，U0是滑覺(jué)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(jué)傳感器電路。
圖3是自適應(yīng)控制裝置中所用的觸、壓覺(jué)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(shí)，通過(guò)檢測(cè)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(shí)，加載螺釘2與保護(hù)板4接觸，此時(shí)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(guò)調(diào)節(jié)加載螺釘?shù)奈恢脕?lái)實(shí)現(xiàn)所檢測(cè)力量程的變化。
當(dāng)手指與被握物體接觸后，這時(shí)的接觸力由傳感器檢測(cè)到，這個(gè)力與一個(gè)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(shí)，比較器輸出一個(gè)高電平信號(hào)，此信號(hào)即為指物間接觸的信號(hào)，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(gè)接觸信號(hào)來(lái)控制反饋裝置，可實(shí)現(xiàn)握物狀態(tài)向人體的反饋。這樣使用者不必靠視覺(jué)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(shí)避免了由于視覺(jué)判斷造成的失誤。
圖4和圖5是滑覺(jué)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(gè)滾子14支撐，小球稍高出于傳感器上蓋平面。三個(gè)滾子設(shè)計(jì)成短圓柱形，其中的二個(gè)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(gè)滾子支承，滾子由殼體支承，其中兩個(gè)滾子測(cè)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(shí)，滑覺(jué)傳感器置于假手指端。由于滑覺(jué)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(shí)，小球動(dòng)，并帶動(dòng)滾子動(dòng)，滾子轉(zhuǎn)動(dòng)可由探針(Z1，Z2)或(Z3，Z4)檢測(cè)出，指物滑移量，即小球任何方向的轉(zhuǎn)動(dòng)量都可以從兩個(gè)支撐滾子上檢出，所以三個(gè)滾子中有一個(gè)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(shí)，由(Z1，Z2)，(Z3，Z4)檢測(cè)得到的輸出為脈沖信號(hào)，此脈沖信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換后成為電平信號(hào)，此信號(hào)作為手指是否內(nèi)握的控制信號(hào)。
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(tīng)覺(jué)和視覺(jué)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(cè)假手的動(dòng)作狀態(tài)，使之變換為人體皮膚能感覺(jué)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(hào)轉(zhuǎn)換成頻率，并用機(jī)械振子刺激人體，從而獲得感覺(jué)。聽(tīng)覺(jué)和視覺(jué)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(hào)轉(zhuǎn)換成人體可以靠聽(tīng)覺(jué)和視覺(jué)分辯的信號(hào)，刺激人體，實(shí)現(xiàn)感覺(jué)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(jué)傳感器及其信號(hào)處理電路，用以將手指與物體間有滑移時(shí)測(cè)得的脈沖信號(hào)經(jīng)U1，U2電平轉(zhuǎn)換和邏輯門U3后變成滑移信號(hào)Vsl；(2)置于手指機(jī)構(gòu)上的觸、壓覺(jué)傳感器及其信號(hào)處理電路，用以將手指與物體間的接觸力信號(hào)，經(jīng)U5，U6信號(hào)放大后得到壓力信號(hào)Vp，再經(jīng)運(yùn)算比較器U7后，得到觸覺(jué)信號(hào)Vt；(3)譯碼器U8和邏輯門U9，用以將來(lái)自人體的屈肌肌電信號(hào)Vg，伸肌肌電信號(hào)Vs以及上述滑移信號(hào)Vsl、觸覺(jué)信號(hào)Vt一起進(jìn)行優(yōu)先權(quán)識(shí)別，并產(chǎn)生控制信號(hào)S1和S2；(4)反饋裝置U10，用以將觸覺(jué)信號(hào)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(hào)S1和S2放大后，控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)；(6)電機(jī)正反轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)U12和U13，接受控制信號(hào)S1和S2；(7)正反轉(zhuǎn)電機(jī)在U12和U13的控制下轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jué)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(duì)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(jué)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(kāi)有Y形凹槽，小球置于凹槽中心，小球下面有三個(gè)圓柱形滾子支撐;殼體側(cè)面開(kāi)有三個(gè)長(zhǎng)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(gè)，其中二個(gè)分別裝在兩個(gè)滾子的徑向外側(cè)，另二個(gè)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(shí)現(xiàn)假手的握力自適應(yīng)控制和握物感覺(jué)的反饋。在控制裝置中，用觸覺(jué)傳感器進(jìn)行握物狀態(tài)識(shí)別，用壓覺(jué)傳感器跟蹤檢測(cè)握物時(shí)握力的大小，用滑覺(jué)傳感器檢測(cè)指物間任何方向的滑移。再將來(lái)自人體的屈肌肌電信號(hào)、伸肌肌電信號(hào)、滑信號(hào)和觸覺(jué)信號(hào)一起進(jìn)行優(yōu)先權(quán)識(shí)別并產(chǎn)生控制信號(hào)，該信號(hào)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(dòng)作。本控制裝置使截肢者使用肌電假手時(shí)有真肢感。
文檔編號(hào)A61F2/54GK1108520SQ9411965
公開(kāi)日1995年9月20日 申請(qǐng)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(qǐng)人:清華大學(xué)