CN101584616A

CN101584616A - 基于声音控制的电子假手

Info

Publication number: CN101584616A
Application number: CNA2009100532712A
Authority: CN
Inventors: 喻洪流; 胡加华; 张志敏; 赵展; 蒋清锋; 简卓
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2009-06-18
Filing date: 2009-06-18
Publication date: 2009-11-25

Abstract

本发明涉及一种基于声音控制的电子假手，包括假手，语音识别模块，信号放大输出芯片，信号继电器控制电路。语音识别模块由能够唯一识别使用者本人的语音信号的语音识别芯片构成；语音识别芯片输入端接收至少七种语音指令，一种语音指令是专门训练用于控制假手任一动作急停，另外六条指令输出给假手继电器控制电路，二至六条指令输出信号分别控制假手的一至三个自由度，完成人手功能指伸、指屈、腕内旋、腕外旋、腕伸、腕屈六个动作。本发明能实现语音学习功能以及识别功能，并实现二至六条以上控制指令的输出。用继电器来控制电机的正反转，以实现两个信号控制假手的打开、合上的功能。

Description

基于声音控制的电子假手

技术领域

本发明涉及一种基于声控技术，通过语音识别模块和无线或有线传输模块来对多自由度假手进行控制的声控电子假手装置。

背景技术

健全的双手对人类来说很重要，能够完成握、捻、钩、提、夹等等生活中必须要用到的多种复杂的动作。但是现实中由于交通事故，自然灾害，工伤，战争以及先天性疾病等诸多因素，残肢患者为数甚多。据统计，全世界残肢患者有数千万之多。为了能让残肢者生活自理，并尽可能提高他们的生活质量，各种假手应运而生。因此，手缺损的重建一直是康复工程的一个重要课题。

理想的假手应在形状和功能上与真手一样。它不仅能替代人手的感觉和运动功能，而且还要像人手一样具有优美的外形。但目前的技术还远远达不到这个理想的要求。人体上肢机构模型有27个自由度。其中手指部分有20个自由度。但目前科学水平还不能做到具有27个自由度的电子假手。美国、日本实验研究的假手有7-11个自由度，但目前临床使用的假手最多为3个自由度，以完成人手功能最常用的指伸、指屈、旋前、旋后、腕伸、腕屈6个动作。尽管假手设计者面临着巨大的技术困难，但假手的设计应包括以下标准：具有多种抓握模式并根据物体的形状自动调节；物体的纹理、形状和温度可作为反馈信息；具有本体感觉；重量轻，外观好；可以在潜意识下控制。虽然世界上商品化的假肢已达上千种，但无一能达到以上标准。

目前最先进的电子假手仅能完成人手的极少部分功能，而且其准确率也不能令人满意，都存在各自的不足之处。如机械牵引手，它是通过另一侧肩的动作牵引，再通过机械传动和弹簧的作用，使假手能做指伸和指屈两个动作，但这种假手机械牵引力大，而且不受人的意志控制，残肢者使用起来费劲，不太习惯；又如肌电假手，肌电假肢的最大优点是利用残存肌肉系统以生理方式控制假肢的运动功能，但肌电控制本质上是一个开环控制系统，患者仅能用视觉和听觉作为反馈信号，这就需要患者集中精力来控制假肢，而不利于对假肢状况的掌握，而且有些患者残肢由于残肢过短、肌电信号弱等因素影响，导致肌电信号过弱而无法通过肌电信号控制假手。

发明内容

本发明是要提供一种利用声音控制技术对假手进行控制的基于声音控制的电子假手，该电子假手具有特定发音人语音识别系统，使用前，使用者给声控假手装置训练若干条命令；使用时，使用者发出相应的语音命令，程序识别出语音命令后，将信号输出给假手以控制假手做出相应动作。

本发明的技术方案是：一种基于声音控制的电子假手，包括假手，语音识别模块，信号放大输出芯片，信号继电器控制电路，所述信号继电器控制电路的信号输入端经信号放大输出芯片与语音识别模块的信号输出端连接，信号继电器控制电路输出端连接假手单自由度驱动电机，其特点是：语音识别模块由能够唯一识别使用者本人的语音信号的语音识别芯片构成；所述语音识别芯片输入端接收至少七种语音指令，其中一种语音指令是专门训练用于控制假手任一动作急停的急停语音指令，另外二至六条指令输出信号分别控制假手的一至三个自由度，用于完成人手功能指伸、指屈、腕内旋、腕外旋、腕伸、腕屈六个动作；在假手的手指、腕关节、肘关节处安装有限位开关，所述限位开关信号反馈至语音芯片，用于控制假手的手指、腕关节、肘关节相应动作停止。

信号继电器控制电路由两个分别控制假手单自由度驱动电机正反转的信号继电器组成，两个信号继电器中的第一至四针脚为信号输入端，其中，第一，二针脚连接信号放大输出芯片信号输出端，第三，四针脚连接3V的直流电源，第五至八针脚为输出端，其中，一个信号继电器中的第五，六针脚连接假手单自由度驱动电机的反转端子，另一个信号继电器中的第七至八针脚连接假手单自由度驱动电机的正转端子。

语音识别芯片输入端通过外接麦克风以有线或无线的方式只接收假手使用者的语音训练与指令。

急停语音指令被识别后语音芯片的控制输出口信号全部为零，从而实现动作的急停。

本发明的有益效果是：

本发明将语音识别芯片与信号放大输出芯片连接能实现语音学习功能以及识别功能，并实现二条以上控制指令的输出。

本发明运用继电器逻辑控制逻辑电路来控制假手三个自由度的驱动直流电机的正反转，以实现控制假手驱动电机的正反转，从而实现假手开/合、内/外旋或屈/伸的功能。

本发明选择使用信号放大芯片去放大语音识别芯片的输出信号，足以驱动继电器实现开关控制，以实现假手打开合上转换。

假手上的直流电机因两端接电源正反的不同，将出现顺时针和逆时针的旋转，在假手中，直流电机就是带动手指开关，腕关节内外旋及肘关节屈伸的直接能源和动力机构。

本发明可以控制手头开合、腕关节的正反转及肘关节的伸屈动作等三个自由度的动作，其中可以是控制其中的单独一个、同时二个或三个自由度。

本发明中还可以在语音识别芯片中设置急停控制功能，使用者可以在假手运转的任意时刻发出停机指令，也可以随时再开启。

附图说明

图1是本发明的声控电子假手原理示意图；

图2是假手单自由度动作转换原理示意图；

图3是假手单自由度动作转换继电器接线图；

图4是假手语音信号放大与继电器控制电路总接线图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

如图1，4所示，本发明的基于声音控制的电子假手，包括假手，驱动电路，语音识别模块等。

假手采用了丹阳假肢厂有限公司生产的三自由度肌电控制上臂假手(型号SJS32)，拆除其肌电控制电路部分后使用。

驱动电路由信号放大输出芯片(美国德州仪器(TI)公司生产的型号为75452的芯片)和信号继电器(深圳市粤联合科技发展有限公司专业提供的型号为HUI KE HK19F-DC3V-SH)控制电路构成。语音识别模块由能够唯一识别使用者本人的特定人语音信号语音识别芯片(北京承芯卓越科技有限公司生产的HELIOS-ADSP型语音芯片)构成。

语音识别芯片输出信号经信号放大输出芯片和信号继电器后控制假手单自由度驱动电机M运行。

语音识别芯片输入端接收三十二种语音指令，使用时训练输入七条语音指令，通过语音芯片识别后输出七条指令给假手继电器控制电路，其中二至六条指令输出信号分别控制假手的一至三个自由度，用于完成人手功能指伸、指屈、腕内旋、腕外旋、腕伸、腕屈六个动作；另一个指令输出控制动作急停。在假手的手指、腕关节、肘关节处安装有限位开关，限位开关信号反馈至语音芯片控制相应动作停止。

语音识别模块：

声控假手的语音识别模块需要针对特定的残肢者的语音进行识别，已避免外界杂音(包括非控制者本人的语音命令)的干扰。所以本发明的语音识别芯片是特定人语音识别芯片，能够唯一识别使用者本人的语音信号，且能实现至少三十二种语音指令的输入并通过识别后输出至少三十二条指令(以3v数字信号输出)，可以利用其中二至六个输出信号分别控制控制假手的一至三个自由度，以完成人手功能最常用的指伸、指屈、腕内旋、腕外旋、腕(肘)伸、腕(肘)腕屈等六个动作；或者利用更多指令控制三个以上的自由度动作。本发明将特定人语音识别芯片通过输出控制电路与假手三个自由度的三个假手单自由度驱动电机M相连接，能实现语音学习功能以及识别功能，并分别实现二至六条动作控制指令的输出；另外还可以输出一条总座急停指令。

输出控制方法：

在控制单个自由度时，语音识别模块的2个输出信号要实现对假手的驱动控制，需要信号的放大处理。假手中有三个假手单自由度驱动电机M(德国Faulhaber公司的006SR型)来控制指伸、指屈、腕内旋、腕外旋、腕(肘)伸、腕(肘)屈等六个动作(每自由度两个动作)，即两个信号控制假手的一个自由度。

本发明采用的语音识别芯片上的有三十二路输出，在控制任意一个自由度时，在其三十二路输出中任意选取二路输出，通过两个信号继电器控制电源开关S1，S2开、闭，实现假手单自由度驱动电机M的打开、合上转换的控制，见附图2。

本发明所选用的信号继电器控制信号为3v，八个引脚，见附图3。工作原理如下：第一针脚1和第二针脚2为信号输入端，第三针脚3和第四针脚4接入3V的直流电，若第一针脚1和第二针脚2没有信号源，第七针脚7和第八针脚8没有输出；若第一针脚1和第二针脚2有信号输入，那么第七针脚7和第八针脚8输出3V的直流电，第五针脚5和第六针脚6没有输出。一个信号继电器中的第五，六针脚5，6连接假手单自由度驱动电机M的反转端子，别一个信号继电器中的第七至八针脚7，8连接假手单自由度驱动电机M的正转端子。

实现假手一个自由度动作的转换需要两个继电器，实现四个开关控制假手开合的转换，针脚电路连接见附图3。图4是假手语音信号放大与继电器控制电路(输出控制)的总接线图。

假手的手指、腕关节与肘关节处设有行程限位开关，开关信号可作为输出控制电路中的继电器的信号源来控制动作假手单自由度驱动电机M的急停(参见图4)。

本发明将语音识别芯片正确连接后，然后开机进行语音训练。芯片将给出提示音，按照次序输入口令，每条口令至少输入二遍，直至提示换下一条指令。训练及发出语音指令时时通过一外接的麦克风向芯片输入语音指令，本实施方式中麦克风通过有线的方式与语音芯片连接。训练结束后，模块即可接受语音指令，并给出对应的提示音和对应的LED等亮起。在语音指令录入完毕后，取下电池也不会影响录入的指令。此选用的语音识别芯片的识别率较高，能够完成较为准确的判断。

Claims

1.一种基于声音控制的电子假手，包括假手，语音识别模块，信号放大输出芯片，信号继电器控制电路，所述信号继电器控制电路的信号输入端经信号放大输出芯片与语音识别模块的信号输出端连接，信号继电器控制电路输出端连接假手单自由度驱动电机(M)，其特征在于：所述语音识别模块由能够唯一识别使用者本人的语音信号的语音识别芯片构成；所述语音识别芯片输入端接收至少七种语音指令，其中一种语音指令是专门训练用于控制假手任一动作急停的急停语音指令，另外二至六条指令输出信号分别控制假手的一至三个自由度，用于完成人手功能指伸、指屈、腕内旋、腕外旋、腕伸、腕屈六个动作；在假手的手指、腕关节、肘关节处安装有限位开关，所述限位开关信号反馈至语音芯片，用于控制假手的手指、腕关节、肘关节相应动作停止。

2.根据权利要求1所述的基于声音控制的电子假手，其特征在于：所述信号继电器控制电路由两个分别控制假手单自由度驱动电机(M)正反转的信号继电器组成，两个信号继电器中的第一至四针脚(1，2，3，4)为信号输入端，其中，第一，二针脚(1，2)连接信号放大输出芯片信号输出端，第三，四针脚(3，4)连接3V的直流电源，第五至八针脚(5，6，7，8)为输出端，其中，一个信号继电器中的第五，六针脚(5，6)连接假手单自由度驱动电机(M)的反转端子，别一个信号继电器中的第七至八针脚(7，8)连接假手单自由度驱动电机(M)的正转端子。

3.根据权利要求1所述的基于声音控制的电子假手，其特征在于：所述语音识别芯片输入端通过外接麦克风以有线或无线的方式只接收假手使用者的语音训练与指令。

4.根据权利要求1所述的基于声音控制的电子假手，其特征在于：所述急停语音指令被识别后语音芯片的控制输出口信号全部为零，从而实现动作的急停。