CN101507665A - 具有感知冷热和触滑觉的智能假肢系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有感知冷热和触滑觉的智能假肢系统。该系统的温度数据采集与温度处理部分包括有温度传感器(2)、信号调理电路(4)、A/D转化器(10)、单片机(9)和制冷制热片(6)。温度传感器(2)的输入、输出端和信号调理电路(4)输入端电连接，信号调理电路(4)输出端与A/D转化器(10)的

引脚电连接，A/D转化器(10)和单片机(9)采用查询方式连接单片机(9)和制冷制热片(6)电连接。该系统的触滑觉信号采集处理及信号特征辨识部分包括有触滑觉传感器(1)、电荷放大电路(5)、滤波电路(7)、A/D转化器(10)、单片机(9)和肌电电极(3)，它们依次电连接。该系统安装在人体的假肢上。

Description

具有感知冷热和触滑觉的智能假肢系统

技术领域

本发明涉及一种人体的假肢，更具体地说，它涉及一种具有感知冷热和触滑觉的智能假肢系统。

背景技术

对伤残人士来说，老式假肢在很大程度上只是一种摆设，不能传递任何感觉信号。而智能假肢是通过信号对手臂残端不同区域的刺激，通过正常的神经通道将冷热感和触滑觉反馈给大脑，伤残者能感觉到来自手腕、手掌和手背的不同感觉，享受到久违的冷热和触滑感觉。对伤残人士康复治疗、日常生活有很重要的意义。

对于智能假肢系统的研究，目前国内外都取得了显著成就，已经有很多人做了这方面的工作。主要有以下几个方面：

1.具有多个活动的关节；

2.增加各种感觉传感器，尤其是触觉和滑觉传感器实现对不同形状物体的自适应抓取；

3.使整体系统重量轻，体积小，简单可靠；

4.高度集成的驱动和控制系统；

5.高性能的肌电的假肢接口系统。

但是还有很多不足和需要改进的方面。首先是造价昂贵，一般伤残人士无力承担；感觉不灵敏，反应不迅速；抗干扰能力不强，常常有误动作发生，给伤残人士在某些场合造成很大尴尬。尤其是国内目前具有感知冷热的智能假肢未见实用方面的报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术存在的问题，提供了一种具有感知冷热和触滑觉的智能假肢系统。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：具有感知冷热和触滑觉的智能假肢系统包括有温度数据采集与温度处理部分和触滑觉信号采集处理及信号特征辨识部分。

所述的温度数据采集与温度处理部分包括有型号为AD590的温度传感器、信号调理电路、型号为ADC0809的A/D转化器、型号为89S51的单片机和制冷制热片。

型号为AD590的温度传感器的输入与输出端和信号调理电路的输入端电连接，信号调理电路的输出端与型号为ADC0809的A/D转化器的IN0引脚电连接，型号为ADC0809的A/D转化器和型号为89S51的单片机之间采用查询方式连接，型号为89S51的单片机和制冷制热片电连接。

所述的触滑觉信号采集处理及信号特征辨识部分包括有触滑觉传感器、电荷放大电路、滤波电路、型号为89S51的单片机、型号为ADC0809的A/D转化器和肌电电极。

触滑觉传感器、电荷放大电路、滤波电路、型号为ADC0809的A/D转化器和型号为89S51的单片机依次电连接，型号为89S51的单片机的输出端和肌电电极输入端电连接。

技术方案中所述的型号为AD590的温度传感器的输入与输出端和信号调理电路的输入端电连接是指：型号为AD590的温度传感器的输出端和第一可变电阻与2号电阻依次电连接，型号为AD590的温度传感器的输出端同时和第二电压跟随器的正极端电连接，第二电压跟随器的输出端通过8号电阻和放大器的正极端电连接，放大器的输出端和型号为ADC0809的A/D转化器的IN0引脚电连接，型号为AD590的温度传感器的输入端和3号电阻与第二可变电阻依次电连接，3号电阻与第二可变电阻连接点和第一电压跟随器的正极端电连接，第一电压跟随器的输出端通过5号电阻和放大器的负极端电连接；所述的型号为ADC0809的A/D转化器和型号为89S51的单片机之间采用查询方式连接是指：型号为89S51的单片机的WR引脚和P2.7引脚经过一级或非门后与型号为ADC0809的A/D转化器的START和ALE引脚电连接。型号为89S51的单片机的RD引脚和P2.7引脚经过一级或非门后与型号为ADC0809的A/D转化器的OE引脚电连接。型号为89S51的单片机的ALE引脚经分频器与型号为ADC0809的A/D转化器的CLK引脚电连接。型号为ADC0809的A/D转化器的D0至D7引脚与数据总线电连接。所述的连接型号为89S51的单片机和制冷制热片电连接是指：型号为89S51的单片机的P1.0、P1.1、P1.2和P1.3引脚与制冷制热片的输入端电连接；所述的触滑觉传感器和电荷放大电路电连接是指：触滑觉传感器的一端和型号为AD544L的运算放大器的正极端电连接并接地，触滑觉传感器的另一端通过电阻和型号为AD544L的运算放大器的负极端电连接；所述的电荷放大电路和滤波电路电连接是指：电荷放大电路的V02端和滤波电路的Vi端电连接；所述的滤波电路和型号为ADC0809的A/D转化器电连接是指：滤波电路的Vo端和型号为ADC0809的A/D转化器的IN7引脚电连接；所述的型号为89S51的单片机的输出端和肌电电极输入端电连接是指：型号为89S51的单片机的P1.4和P1.5引脚与肌电电极输入端电连接。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.本发明所述的具有感知冷热和触滑觉的智能假肢系统功能基本齐全，感应速度足够快，体积小，价格便宜；

2.本发明所述的具有感知冷热和触滑觉的智能假肢系统使伤残者重现能够感知到物体冷热和触摸到物体的真实的临场感觉。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1是具有感知冷热和触滑觉的智能假肢系统应用在上肢的结构原理示意框图；

图2是具有感知冷热和触滑觉的智能假肢系统的温度信号采集、调理电路的电原理图；

图3是具有感知冷热和触滑觉的智能假肢系统的触、滑觉信号采集、调理部分的结构原理示意框图；

图4是具有感知冷热和触滑觉的智能假肢系统中单片机与A/D转化器连接关系和进行信号处理的电原理图；

图5是具有感知冷热和触滑觉的智能假肢系统应用在下肢的结构原理示意框图；

图6是应用在具有触滑觉的智能假肢系统中的电荷放大电路；

图7是应用在具有触滑觉的智能假肢系统中的滤波电路；

图中：1.触滑觉传感器(PVDF)，2.温度传感器，3.肌电电极，4.信号调理电路，5.电荷放大电路，6.制冷制热片，7.滤波电路，8.假肢手，9.单片机，10.A/D转化器，11.假肢腿，12.分频器，R1-R26.1号电阻-26号电阻，C1-C10.1号电容-10号电容，LM358.运算放大器，Rp1.电位器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

参阅图1至图4，本发明所述的具有感知冷热和触滑觉的智能假肢系统，旨在通过选取温度传感器、触滑觉传感器、单片机和优化的信号调理电路，使伤残者通过假肢手指、脚趾和脚掌等部位触及到物体，让伤残者在肢体残端重新享受久违的感知温度、触摸和物体滑动的感觉。该系统包括温度数据采集与温度处理部分和触滑觉信号采集处理及信号特征辨识部分。

温度数据采集与温度处理部分包括有型号为AD590的温度传感器2、信号调理电路4、型号为ADC0809的A/D转化器10、型号为89S51的单片机9和半导体结构的制冷制热片6。其中型号为AD590的温度传感器2为灵敏度极高的温度传感器，型号为AD590的温度传感器2的输入与输出端(正、负极端)和信号调理电路4的输入端电连接，型号为AD590的温度传感器2的输出信号经信号调理电路4即差分放大电路后输入型号为ADC0809的A/D转化器10的INO脚。型号为ADC0809的A/D转化器10和型号为89S51的单片机9采用查询方式连接。转化后的信号经型号为89S51的单片机9处理后实现对制冷制热片6的控制。

型号为AD590的温度传感器2的输入与输出端(正、负极端)和信号调理电路的输入端电连接。确切地说，型号为AD590的温度传感器2的输出端(负极端)和第一可变电阻R1与2号电阻R2依次电连接，2号电阻R2的另一端接地；型号为AD590的温度传感器2的输出端(负极端)同时和第二电压跟随器U2的正极端5电连接，第二电压跟随器U2的输出端7通过8号电阻R8同时和第四可变电阻R9的一端与放大器U3的正极端5电连接，第二电压跟随器U2的输出端7同时和第二电压跟随器U2的负极端6电连接。放大器U3的输出端7同时和10号电阻R10的一端、7号电阻R7的一端与型号为ADC0809的A/D转化器10的INO引脚电连接，10号电阻R10的另一端和第四可变电阻R9的另一端电连接，7号电阻R7的另一端和第三可变电阻R6的一端电连接，第三可变电阻R6的另一端和放大器U3的负极端6电连接。型号为AD590的温度传感器2的输入端(正极端)和3号电阻R3与第二可变电阻R4依次电连接，型号为AD590的温度传感器2的输入端(正极端)同时和7.2V的电源正极端连接，3号电阻R3与第二可变电阻R4同时和第一电压跟随器U1的正极端5电连接，第一电压跟随器U1的输出端7通过5号电阻R5和放大器U3的负极端6电连接。第一电压跟随器U1的输出端7同时和第一电压跟随器U1的负极端6电连接。

参阅图2与图4，型号为AD590的温度传感器2流过的电流与热力学温度成正比，电流变化1mA，相当于温度变化1K，当第一可变电阻R1与2号电阻R2的阻值和为10K，理论上温度每变化1K，电压变化0.01V，但由于型号为AD590的温度传感器2的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。调整的方法为：把型号为AD590的温度传感器2放于冰水混合物中，调整第一可变电阻R1，使VO＝2.732V；3号电阻R3和第二可变电阻R4组成的电路中使第二可变电阻R4所分电压为2.532V，之后此电压信号与从型号为AD590的温度传感器2输出的电压都经第一电压跟随器U1和第二电压跟随器U2输入差分放大电路的放大器U3的两级，2.532V输入放大器U3的负极6，另一信号输入放大器U3的正极5；第三可变电阻R6与7号电阻R7阻值和与5号电阻R5的比值等于第四可变电阻R9与10号电阻R10阻值和与8号电阻R8的比值，比值通过调整第三可变电阻R6、第四可变电阻R9达到5.这样差分放大电路的放大倍数为5；差分放大电路的输出端OUT连接(输入)型号为ADC0809的A/D转化器10的INO脚。型号为ADC0809的A/D转化器10和型号为89S51的单片机9之间采用查询方式连接。确切地说，型号为89S51的单片机9的WR引脚和P2.7引脚经过一级或非门后与型号为ADC0809的A/D转化器10的START和ALE引脚电连接。型号为89S51的单片机9的RD引脚和P2.7引脚经过一级或非门后与型号为ADC0809的A/D转化器10的OE引脚电连接。型号为89S51的单片机9的ALE引脚经分频器12与型号为ADC0809的A/D转化器10的CLK引脚电连接；型号为ADC0809的A/D转化器10的D0至D7引脚与数据总线电连接。数据总线的一端与型号为89S51的单片机9的PO引脚连接，数据总线的另一端和型号为74LS373的地址锁存器相连接，型号为74LS373的地址锁存器是保证型号为ADC0809的A/D转化器10正常工作的自带附件。

型号为ADC0809的A/D转化器10是一种逐次逼近式8路模拟输入和8位数字量输出的A/D转换器，共有28引脚，其中OE引脚为输出允许端，START引脚为启动信号输入端，CLK引脚为时钟信号输入端。型号为ADC0809的A/D转化器10与型号为89S51的单片机9采用查询方式连接；由于ADC片内无时钟，使用型号为89S51的单片机9的ALE端口经分频后连接到型号为ADC0809的A/D转化器10的CLK引脚；型号为ADC0809的A/D转化器10具有输出三态锁存器，其8位数据输出引脚(即D0至D7引脚)直接与型号为89S51的单片机9的数据总线相连。型号为ADC0809的A/D转化器10的地址译码引脚A、B、C分别与地址锁存器的低三位A0、A1、A2引脚相连；将型号为89S51的单片机9的P2.7引脚作为片选信号，在启动A/D转化时，由型号为89S51的单片机9的写信号引脚WR和P2.7引脚控制型号为ADC0809的A/D转化器10的地址锁存和转换启动，由于ALE和START连在一起，因此型号为ADC0809的A/D转化器10在锁存通道地址的同时，启动并进行转换。在读转换结果时，用低电平的读信号引脚RD和P2.7引脚经一级或非门后，产生的正脉冲作为OE引脚信号，用以打开三态输出锁存器。

型号为89S51的单片机9和制冷制热片6电连接是指型号为89S51的单片机9的P1.0、P1.1、P1.2和P1.3引脚与制冷制热片6的输入端电连接。

其中，温度数据采集与温度处理部分中所使用的型号为89S51的单片机9如果选用型号为MSC-51系列的单片机都能够满足技术方案的要求，半导体的制冷制热片6，一般的原理都是一样的，选择性具有普遍适用性，即制冷制热片6型号很多，比如型号为TEC1-12705.06的制冷制热片就是其中之一。。

参阅图3，触滑觉信号采集处理及信号特征辨识部分包括有触滑觉传感器1、电荷放大电路5、滤波电路7、型号为89S51的单片机9、型号为ADC0809的A/D转化器10和肌电电极3。

触滑觉传感器1、电荷放大电路5、滤波电路7、型号为ADC0809的A/D转化器10和型号为89S51的单片机9依次电连接，型号为89S51的单片机9的输出端和肌电电极3输入端电连接。其中，触滑觉传感器1采用有机压电材料聚偏二氟乙烯(PVDF)制成，型号为89S51的单片机9和型号为ADC0809的A/D转化器10与温度数据采集与温度处理部分中所使用的是同一个单片机和A/D转化器，单片机9选用型号为MSC-51系列的单片机皆能够满足技术方案的要求。

触滑觉传感器1(PVDF)的一端和电荷放大电路5中的型号为AD544L的运算放大器A1的正极端电连接并同时接地，触滑觉传感器1的另一端通过电阻RB和型号为AD544L的运算放大器A1的负极端电连接。电荷放大电路5的V02(输出)端和滤波电路7的Vi(输入)端电连接。滤波电路7的Vo(输出)端和型号为ADC0809的A/D转化器10的IN7引脚电连接。型号为89S51的单片机9的P1.4和P1.5引脚和肌电电极3输入端电连接。

参阅图6，电荷放大电路是由两级运算放大器组成。第一级由型号为AD544L的低漂移、低失调运算放大器组成，型号为AD544L的运算放大器是美国AD公司生产的精密低功率单片运算放大器，输入为电荷，输出为电压。是一个q/V转换器。当有1N的力作用在PVDF压电薄膜传感器(触滑觉传感器1)上时，它产生的电压，理论值为-0.023V，即点和型号为AD544L的运算放大器的灵敏度为：-0.023V/N＝-23mV/N

电荷放大电路的频率响应由反馈1号电容C1和反馈11号电阻R11确定，其低截止频率为：fo＝1/2∏R1C1＝1.6Hz。电阻RB是型号为AD544L的运算放大器的过载保护电阻，避免型号为AD544L的运算放大器的输入过高而损坏。第二级是一个由反向型号为OP07的运算放大器组成的输出调整放大器。型号为OP07的运算放大器为超低失调低漂移运算放大器，共模抑制比为110dB。调整电位器Rp1可使闭环增益为-1至-2，因此，型号为OP07的运算放大器的输出灵敏度为：-2*(-23mV/N)＝46mV/N

即在PVDF压电薄膜传感器上作用1N的力时，这部分电路能输出46mV的电压。

参阅图7，低通滤波器的频率取值为100Hz-10kHz。RC低通滤波器的电阻、电容的取值由计算公式f＝1/(2πRC)得出，取电阻阻值为1k，电容值为1000PF。研制过程中发现工频干扰现象很严重，故采用50Hz的陷波电路。因此，滤波电路7由低通滤波器和50Hz的陷波器组成。滤波的作用是滤去信号源中的高频杂波和工频干扰。陷波器的部分参数为：

f＝1/(2πRC)＝50Hz、R15＝R16＝2R17、C4＝C5＝C6/2这个陷波器是一个Q(增益值)可调的陷波滤波器，即可用电位器来调整带宽可调电阻来调节中心频率。在实际应用中，被抑制的信号会稍微偏离陷波网络的零点，这时降低网络的Q值是有利的。这样保证在输入频率的较宽范围内保持衰减。该电路的Q值变化范围为(0.3-50)。部分输出信号经第二个电压跟随器反馈到R17和C6上，陷波网络的Q值取决于反馈信号的总量。为了能使双T网络受到低阻源的驱动，第二个跟随器是必要的。这样陷波点的频率和深度就不会受到电位器设定情况的影响。压控低通有源滤波器的截止频率：fo＝79.6Hz，放大倍数Aup＝4，Q＝1/(3-Aup)＝1。

具有感知冷热和触滑觉的智能假肢系统是装置在伤残者的假上肢或假下肢上，更具体地说，触滑觉传感器1和温度传感器2粘贴在假手指肚或假脚趾肚上，根据需要也可以粘贴在假手掌、假脚掌或其它部位上。制冷制热片6和触滑觉传感器1粘贴伤残者的肢体残端有感觉的皮肤上，其他的零部件放置在假手臂或假腿内。

具有感知冷热和触滑觉的智能假肢系统的工作原理：

1.具有感知冷热和触滑觉的智能假肢系统的温度数据采集与温度处理部分直接通过温度传感器2采集温度，采集的温度信号经差分放大及A/D转化器10的转化之后再经单片机9处理产生温度控制信号，温度控制信号输送给制冷制热片6，使放置在伤残者肢体残端皮肤上的制冷制热片6产生冷热，使伤残者的肢体残端产生冷热的感觉。

2.当具有感知冷热和触滑觉的智能假肢系统的装有采用PVDF薄膜制成的触滑觉传感器1的假手手指接触到物体时，PVDF薄膜由于受接触阶跃应力的作用，产生电荷信号，经电荷放大电路5生成接触觉信号。经单片机9处理，在放置在伤残者肢体残端皮肤上的肌电电极3上产生脉冲，即使伤残者的肢体残端产生接触物体的感觉。当物体相对于触滑觉传感器1表面(即PVDF材料表面)滑动时，摩擦力变化引起触滑觉传感器1表层(即PVDF材料表层)的诱导微振动，该诱导微振动使PVDF薄膜产生交变电荷信号，经电荷放大电路5生成滑觉信号。经单片机9处理，在放置在伤残者肢体残端内的肌电电极3上产生脉冲，使伤残者的肢体残端产生滑动的感觉。

Claims (8)

1.一种具有感知冷热和触滑觉的智能假肢系统，其特征是它包括有温度数据采集与温度处理部分和触滑觉信号采集处理及信号特征辨识部分；

所述的温度数据采集与温度处理部分包括有型号为AD590的温度传感器(2)、信号调理电路(4)、型号为ADC0809的A/D转化器(10)、型号为89S51的单片机(9)和制冷制热片(6)；

型号为AD590的温度传感器(2)的输入与输出端和信号调理电路(4)的输入端电连接，信号调理电路(4)的输出端(OUT)与型号为ADC0809的A/D转化器(10)的IN0引脚电连接，型号为ADC0809的A/D转化器(10)和型号为89S51的单片机(9)之间采用查询方式连接，型号为89S51的单片机(9)和制冷制热片(6)电连接；

所述的触滑觉信号采集处理及信号特征辨识部分包括有触滑觉传感器(1)、电荷放大电路(5)、滤波电路(7)、型号为89S51的单片机(9)、型号为ADC0809的A/D转化器(10)和肌电电极(3)；

触滑觉传感器(1)、电荷放大电路(5)、滤波电路(7)、型号为ADC0809的A/D转化器(10)和型号为89S51的单片机(9)依次电连接，型号为89S51的单片机(9)的输出端和肌电电极(3)输入端电连接。

2.按照权利要求1所述的具有感知冷热和触滑觉的智能假肢系统，其特征是所述的型号为AD590的温度传感器(2)的输入与输出端和信号调理电路(4)的输入端电连接是指：

型号为AD590的温度传感器(2)的输出端和第一可变电阻(R1)与2号电阻(R2)依次电连接，型号为AD590的温度传感器(2)的输出端同时和第二电压跟随器(U2)的正极端(5)电连接，第二电压跟随器(U2)的输出端(7)通过8号电阻(R8)和放大器(U3)的正极端(5)电连接，放大器(U3)的输出端(7)和型号为ADC0809的A/D转化器(10)的IN0引脚电连接；

型号为AD590的温度传感器(2)的输入端和3号电阻(R3)与第二可变电阻(R4)依次电连接，3号电阻(R3)与第二可变电阻(R4)连接点和第一电压跟随器(U1)的正极端(5)电连接，第一电压跟随器(U1)的输出端(7)通过5号电阻(R5)和放大器(U3)的负极端(6)电连接。

3.按照权利要求1所述的具有感知冷热和触滑觉的智能假肢系统，其特征是所述的型号为ADC0809的A/D转化器(10)和型号为89S51的单片机(9)之间采用查询方式连接是指：型号为89S51的单片机(9)的WR引脚和P2.7引脚经过一级或非门后与型号为ADC0809的A/D转化器(10)的START和ALE引脚电连接；型号为89S51的单片机(9)的RD引脚和P2.7引脚经过一级或非门后与型号为ADC0809的A/D转化器(10)的OE引脚电连接；型号为89S51的单片机(9)的ALE引脚经分频器(12)与型号为ADC0809的A/D转化器(10)的CLK引脚电连接；型号为ADC0809的A/D转化器(10)的D0至D7引脚与数据总线电连接。

4.按照权利要求1所述的具有感知冷热和触滑觉的智能假肢系统，其特征是所述的连接型号为89S51的单片机(9)和制冷制热片(6)电连接是指：型号为89S51的单片机(9)的P1.0、P1.1、P1.2和P1.3引脚与制冷制热片(6)的输入端电连接。

5.按照权利要求1所述的具有感知冷热和触滑觉的智能假肢系统，其特征是所述的触滑觉传感器(1)和电荷放大电路(5)电连接是指：触滑觉传感器(1)的一端和型号为AD544L的运算放大器(A1)的正极端(+)电连接并接地，触滑觉传感器(1)的另一端通过电阻(RB)和型号为AD544L的运算放大器(A1)的负极端(-)电连接。

6.按照权利要求1所述的具有感知冷热和触滑觉的智能假肢系统，其特征是所述的电荷放大电路(5)和滤波电路(7)电连接是指：电荷放大电路(5)的V02端和滤波电路(7)的Vi端电连接。

7.按照权利要求1所述的具有感知冷热和触滑觉的智能假肢系统，其特征是所述的滤波电路(7)和型号为ADC0809的A/D转化器(10)电连接是指：滤波电路(7)的Vo端和型号为ADC0809的A/D转化器(10)的IN7引脚电连接。

8.按照权利要求1所述的具有感知冷热和触滑觉的智能假肢系统，其特征是所述的型号为89S51的单片机(9)的输出端和肌电电极(3)输入端电连接是指：型号为89S51的单片机(9)的P1.4和P1.5引脚与肌电电极(3)输入端电连接。

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