CN101766510B - 基于肌电控制的机械假手的力触觉反馈及力度控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于肌电控制的机械假手的力触觉反馈及力度分段控制方法，设置两个肌电信号采集电极贴合在人体残肢手臂的肌肉活动区体表，分别采集与肌肉紧绷程度成正比的手指张开及闭合肌电信号输入单片机并按幅值大小不同进行分段量化，输出不同的分段信号，通过电机驱动电路驱动微型直流电机，微型直流电机的转动经齿轮动机构输出对应于手指夹持力度分段量化的分段速度值；同时，在假手的拇指指端设置力触觉传感器，当手指闭合时，力触觉传感器受到挤压输出力触觉信号反馈给单片机与程序设定的力度分段量化值进行对应比较，根据比较结果，单片机不断调整其输出给电机驱动电路的信号，驱动微型直流电机的转速相应变化，使手指张开及闭合的速度相应改变，直至达到符合设定要求的所属分段夹持力度。

Description

基于肌电控制的机械假手的力触觉反馈及力度控制方法

技术领域

本发明涉及以肌电信号原理设计的假肢机械手，特别是一种基于肌电控制的机械假手的力触觉反馈及力度控制方法，属于与机械手相关的信号采集与处理、计算机、电机控制等技术领域

背景技术

虽然肌电控制假手已经出现了很多年，但关于如何解决机械假手的夹持力大小的控制问题一直都是机械手控制的重要内容，现有技术的肌电假手都不能实现假手控制夹持力度的大小或者不能实现适应残疾人的方便的力度控制方法，使得残疾人无法拿取易碎、易变形等日常生活用品，或者要借助较为复杂的设备或方式才能实现这一功能，给残疾人使用肌电假手后适应正常生活带来困难。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明提出了一种基于肌电控制的机械假手的力触觉反馈及力度控制方法，可让使用者仅通过按正常的生活习惯紧绷和放松相对应的肌肉就能控制假手的张合，并可控制假手闭合的夹持力度大小，来抓取不同材质的物品。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于肌电控制的机械假手的力触觉反馈及力度控制方法，机械假手由微型直流电机通过齿轮传动机构带动用于夹持物品的手指，其特征在于：设置两个肌电信号采集电极贴合在人体残肢手臂的肌肉活动区体表，分别采集与肌肉紧绷程度成正比的手指张开及闭合肌电信号，把这两个肌电信号输入至设有包括单片机、电机驱动电路在内的控制模块，由单片机对采集的对应手指夹持力度的肌电信号按幅值大小不同进行分段量化，并按照这分段的力度值输出不同的分段信号，通过电机驱动电路驱动微型直流电机输出正比于分段力度值的转速，微型直流电机的转动经齿轮动机构输出对应于手指夹持力度分段量化的分段速度值；同时，在假手的拇指指端设置力触觉传感器，当手指闭合时，力触觉传感器输出挤压信号反馈给单片机与程序设定的力度分段量化值进行对应比较，根据比较结果，单片机不断调整其输出给电机驱动电路的信号，驱动微型直流电机的转速相应变化，使手指张开及闭合的速度相应改变，直至达到符合设定要求的所属分段夹持力度。

所说控制模块设有单片机及电机驱动电路，还设有两路肌电信号整流、滤波、放大电路、光电耦合隔离电路；其中，滤波采用均值滤波，电机驱动电路采用H型桥式电机驱动器电路，放大电路采用仪用放大器；由采集电极得到的肌电信号经过二极管整流、均值滤波后变成一个平稳的电平信号，该电平信号的幅值与人体肌肉的紧绷程度成正比，把这一电平信号经过仪用放大器放大后输入单片机的AD转换输入端，单片机对这一电平信号AD转换后按满幅值大小的三等份从大到小分成大、中、小三段进行分段，相对应使用者用力的大、中、小三段，并按照这三种不同的用力情况由单片机给出三种不同占空比的脉冲宽度调制信号，通过H型桥式电机驱动器电路驱动微型直流电机输出正比于分段力度值的快、中、慢三种转速，微型直流电机的转动通过齿轮机构传动，使得手指张开或闭合的速度也对应为快、中、慢三速；当手指闭合时，手指的指端挤压力触觉传感器，传感器输出的差动信号通过仪用放大器调理后返回到单片机的AD转换输入端，单片机将力触觉传感器信号AD转换之后与程序中预设的对应大、中、小三段的目标范围进行比较，当力触觉传感器信号比目标范围小时，单片机就继续发出手指夹紧信号，当力触觉传感器信号比目标范围大时，单片机就发出手指开的信号，如此不断调整直到力触觉传感器信号稳定在目标范围内为止。

单片机程序预设的小力度段为1±0.1牛顿，用于抓取较轻易变形物体，如空纸杯等；中力度段为4±0.1牛顿，用于抓取偏重且易变形的物体，如装满水的纸杯或矿泉水瓶等；大力度段为15±0.1牛顿，用于抓取偏重且不易变形或不怕变形的物体，如石块、铁块等

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明采用力度分段控制方法来控制带指端力触觉反馈的肌电假手，实现了传统控制方法的创新。使用者只需要把肌电信号采集电极贴在手臂的对应位置，按正常的习惯来活动手臂，控制手臂活动的力度大小，肌电信号采集电极就会把与手臂肌肉的紧绷程度相应的信号采集并提交单片机处理，又由单片机发出相应的电机驱动信号并接收力触觉传感器发回的肌电假手的夹持力度信号，实现闭环控制来达到相对应手臂力度大小的夹持力。使用者只需要按正常的生活习惯就能控制假手的张合，并可以拿取各种材质的物品，给使用者带来极大方便。当手指张开程度较大而所拿物体较小时可以实现开始时紧绷肌肉快速闭合，而手指接近物体时稍微放松肌肉慢速闭合拿取物体，拿取物品快速灵活，又可避免损坏物品；力度控制的分段处理使得使用者能够根据所拿取的物品的不同材质调整肌肉的紧绷程度方便的控制肌电假手的夹持力度大小，可以拿起纸杯，玻璃杯等易变形、易碎物品，帮助断肢残疾人拿取各种物品，恢复正常生活。

附图说明

图1为本发明机械假手结构示意图；

图2为本发明的原理框图；

图3为本发明方法的工作流程图；

图4为本发明中控制模块电路图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明

如图1所示(图中只机械假手画出了用于夹持的二根手指)，两个肌电信号采集电极1连接到假手根部的肌电假手控制模块2，肌电假手控制模块2的电机驱动信号线连接到机械假手13上的微型直流电机3，微型直流电机3输出轴上安装的电机齿轮4和大齿轮5啮合传动，传动比4∶1，起到减速增力的作用；与大齿轮5同轴的小齿轮6与拇指9根部齿轮7啮合，传动比10∶1，也起到减速增力的作用，拇指9根部齿轮7的轴与拇指9为键固定联接，使拇指9和齿轮7同步转动。同理，长手指根部齿轮8的轴和长手指10也为键固定联接，长手指10和齿轮8同步转动，短手指根部齿轮7和长手指根部齿轮8啮合，传动比1∶1，使长手指10在短手指9转动的同时向反方向转动，从而达到手指开合的效果。在短手指9的末端安装传感器座11，在传感器座上安装力触觉传感器12，当手指闭合时，力触觉传感器12的力敏感点会受到挤压，输出信号与肌电假手控制模块2连接用以传回输出的力触觉信号。

如图2所示，当肌电信号采集电极采集到肌电信号之后，把该信号提供给肌电假手控制模块判断出使用者手臂的运动意图，并发出相应的PWM电机驱动信号来驱动机械假手的张开和闭合，当机械假手闭合时，力触觉传感器的力敏感点会受到挤压，受力大小的信号再返回到肌电假手控制模块进行处理，肌电假手控制模块结合肌电信号和力触觉信号不断的调整肌电假手的张开闭合，直到力触觉信号最后稳定在预期范围内为止。

如图3所示，首先检测肌电信号采集电极传输的肌电信号，然后再检测力触觉传感器的力触觉信号，再判断是张开假手还是闭合假手，如果是闭合假手，则再根据肌电信号判断使用者手臂的动作意图是大力度、中力度还是小力度，若是大力度则根据力触觉信号判断当前的机械假手的夹持力度是否在预期的大力度范围之内，如果在范围之内则不做任何调整直接进入下次循环，如果小于该范围，则发出使假手快速闭合的驱动信号，如果力度已经超过该范围则发出使假手慢速张开的信号，使假手略微放松。如果是中力度或者是小力度情况下工作流程基本相同，其中与大力度工作流程中的唯一不同点是预设的力度范围分别为中力度范围和小力度范围，而且假手闭合速度分为中速闭合和慢速闭合。如果是张开假手情况，则根据肌电信号判断使用者手臂意图是大力度、中力度还是小力度，如果是大力度则不必再判断力触觉信号直接输出使假手快速张开的驱动信号，中力度情况下直接发出使假手中速张开的驱动信号，小力度情况下直接发出使假手慢速张开的驱动信号。

如图4所示，肌电假手控制模块包括单片机C8051F320(图b)、H型桥式电机驱动器电路MC33886(图c)、两路肌电信号采集及二极管D1、D2整流以及由R2和C1及R7和C2两个均值滤波、两个仪用放大器AD623电路(图a)、力触觉传感器信号调理AD620电路及两路光电耦合隔离电路(图d)，以上电路均为本领域熟知的常规电路。插头CNT1的两个接头与肌电信号采集电极的信号线相连接，接收肌电信号，经过二极管整流和电容的均值滤波处理后连接到两个仪用放大器AD623的正输入端进行信号放大处理，两个AD623的输出端连接到单片机C8051F320的P1.0口和P1.1口，供单片机进行AD转换，单片机C8051F320的P2.4口接收力触觉传感器发出的力触觉信号并进行AD转换，单片机综合以上三路AD转换的结果判断应该发出怎样的PWM电机驱动信号。单片机C8051F320的P1.2口和P1.3口发出PWM电机驱动信号连接到两路光电耦合隔离器电路的输入端PWM1和PWM2，两路光电隔离耦合器电路的输出端MOTOR A和MOTOR B分别连接H桥驱动器MC33886的输入端IN2和IN1，H桥驱动器MC33886的输出端OUT1和OUT2连接到插座CNT2的两路接头再和微型直流电机的两输入端连接，用于驱动电机的转动。单片机C8051F320对P1.0口和P1.1口电平信号AD转换后进行大、中、小的分段处理，其中大、中、小三段分别对应电机转速的快速、中速、慢速。微型直流电机的转动通过齿轮机构传动，使得手抓的手指张开以及闭合，张开或闭合的速度也对应为快、中、慢三速。当手指闭合时，手指的指端会挤压力触觉传感器的力敏感点，力触觉传感器的2、3脚输出的差动信号，2、3脚分别接仪用放大器的负、正输入端，通过仪用放大器AD620调理之后变成电平信号再返回到单片机C8051F320的AD转换输入端P2.4口，单片机C8051F320将这一返回信号AD转换之后与程序中预设的对应大、中、小三段的目标范围进行比较，其中小力度段范围设定为1±0.1牛顿，用于抓取较轻易变形物体，如空纸杯等，中力度段范围设定为4±0.1牛顿，用于抓取偏重且易变形的物体，如装满水的纸杯或矿泉水瓶等，中力度段范围设定为15±0.1牛顿，用于抓取偏重且不易变形或不怕变形的物体，如石块、铁块等。当输入值比目标范围小时，单片机就继续发出夹紧信号，当输入值比目标范围大时，单片机就发出假手张开的信号，如此不断调整直到输入值稳定在目标范围内为止。

Claims (3)

1.一种基于肌电控制的机械假手的力触觉反馈及力度控制方法，机械假手由微型直流电机通过齿轮传动机构带动用于夹持物品的手指，其特征在于：设置两个肌电信号采集电极贴合在人体残肢手臂的肌肉活动区体表，分别采集与肌肉紧绷程度成正比的手指张开及闭合肌电信号，把这两个肌电信号输入至设有包括单片机、电机驱动电路在内的控制模块，由单片机对采集的对应手指夹持力度的肌电信号按幅值大小不同进行分段量化，并按照这分段的力度值输出不同的分段信号，通过电机驱动电路驱动微型直流电机输出正比于分段力度值的转速，微型直流电机的转动经齿轮动机构输出对应于手指夹持力度分段量化的分段速度值；同时，在假手的拇指指端设置力触觉传感器，当手指闭合时，力触觉传感器输出挤压信号反馈给单片机与程序设定的力度分段量化值进行对应比较，根据比较结果，单片机不断调整其输出给电机驱动电路的信号，驱动微型直流电机的转速相应变化，使手指张开及闭合的速度相应改变，直至达到符合设定要求的所属分段夹持力度。

2.根据权利要求1所述的基于肌电控制的机械假手的力触觉反馈及力度控制方法，其特征在于：控制模块设有单片机及电机驱动电路，还设有两路肌电信号整流、滤波、放大电路、光电耦合隔离电路；其中，滤波采用均值滤波，电机驱动电路采用H型桥式电机驱动器电路，放大电路采用仪用放大器；由采集电极得到的肌电信号经过二极管整流，然后经过均值滤波后变成一个平稳的电平信号，该电平信号的幅值与人体肌肉的紧绷程度成正比，把这一电平信号经过仪用放大器放大后输入单片机的AD转换输入端，单片机对这一电平信号AD转换后按满幅值大小的三等份从大到小分成大、中、小三段进行分段，相对应使用者用力的大、中、小三段，并按照这三种不同的用力情况由单片机给出三种不同占空比的脉冲宽度调制信号，通过H型桥式电机驱动器电路驱动微型直流电机输出正比于分段力度值的快、中、慢三种转速，微型直流电机的转动通过齿轮机构传动，使得手指张开或闭合的速度也对应为快、中、慢三速；当手指闭合时，手指的指端挤压力触觉传感器，传感器输出的差动信号通过仪用放大器调理后返回到单片机的AD转换输入端，单片机将力触觉传感器信号AD转换之后与程序中预设的对应大、中、小三段的目标范围进行比较，当力触觉传感器信号比目标范围小时，单片机就继续发出手指夹紧信号，当力触觉传感器信号比目标范围大时，单片机就发出手指开的信号，如此不断调整直到力触觉传感器信号稳定在目标范围内为止。

3.根据权利要求2所述的基于肌电控制的机械假手的力触觉反馈及力度控制方法，其特征在于：单片机程序预设的小力度段为1±0.1牛顿，中力度段为4±0.1牛顿，大力度段为15±0.1牛顿。

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