CN204954834U - 一种欠驱动假肢手嵌入式控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种欠驱动假肢手嵌入式控制装置，该欠驱动假肢手的手掌内部安装有用于驱动各手指运动的多个有刷直流电机，该欠驱动假肢手的各手指末端分别安装有用于对手指运动过程中垂直于指尖面的应力执行检测的多个应变片；该控制装置分别与所述有刷直流电机和应变片信号相连，且呈现集成电路板的形式整体嵌入安装在欠驱动假肢手的内部。通过本实用新型，能够结构紧凑、便于操控地实现对欠驱动假肢手的运动控制，克服硬件电路过于庞大等缺陷，同时可显著提高在各类实际应用中的动作精确性和适用性。

Description

一种欠驱动假肢手嵌入式控制装置

技术领域

本实用新型属于仿生机器人相关配件领域，更具体地，涉及一种欠驱动假肢手嵌入式控制装置。

背景技术

假肢手以其运动拟人和结构紧凑等优点获得了广阔的发展前景。特别是作为近期热门研究的欠驱动假肢手，由于具备轻便的外形和控制简单的特性，因而在医疗假肢手、现代化工业生产、高危复杂作业等多个领域获得了广泛应用。

然而，进一步的研究表明，现有的欠驱动假肢手主要存在以下的缺陷或不足：目前用于欠驱动假肢手的控制方案一般采用多轴伺服控制系统，其虽能满足一般的运动控制要求，但其使用的计算机插接卡接口体积过于庞大，硬件构造复杂，在实践应用时导致了多种的不便，并直接影响到假肢手的应用灵活性。因此，在本领域亟需对欠驱动假肢手的运动控制硬件作出进一步的设计，以便更好地满足日益增长的实际工况需求。

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种欠驱动假肢手嵌入式控制装置，其中通过对其整体内部构造以及关键组件的具体电路结构进行设计，相应能够更为结构紧凑、便于操控地实现对欠驱动假肢手的运动控制，同时可显著提高在各类复杂动作的精确性和适用性。

为实现上述目的，按照本实用新型，提供了一种欠驱动假肢手嵌入式控制装置，其特征在于：

该欠驱动假肢手的手掌内部安装有用于驱动各手指运动的多个有刷直流电机，该欠驱动假肢手的各手指末端分别安装有用于对手指运动过程中垂直于指尖面的应力执行检测的多个应变片；该控制装置分别与所述有刷直流电机和应变片之间信号相连，且呈现集成电路板的形式，整体嵌入安装在欠驱动假肢手的内部。

作为进一步优选地，所述控制装置包括电机速度检测器、电机电流检测器、指尖力检测器和功率放大器，其中该电机速度检测器和该电机电流检测器分别对各个所述有刷直流电机的速度和电流执行实时检测，该指尖力检测器对各个所述应变片的信号执行放大，该功率放大器分别与各个所述有刷直流电机电路连接，并输出功率放大后的电机驱动电流。

作为进一步优选地，所述电机速度检测器的数量优选为2个，并且它们各自为将差分信号转换为单端信号的差分接收器。

作为进一步优选地，所述电机电流检测器的数量优选为4个，并且它们各自包括用于将共模差分电压信号放大的电流检测放大器和一个检流电阻。

作为进一步优选地，所述应变片优选为桥式应变片，所述指尖力检测器为用于对桥式应变片的共模差分电压信号执行放大的单元。

作为进一步优选地，所述有刷直流电机的数量为四个，它们集成安装在欠驱动假肢手的手掌内部，分别为用于实现拇指翻转运动的第一电机、用于实现拇指弯曲运动的第二电机、用于同时实现食指和中指弯曲运动的第三电机，以及用于同时实现无名指和小指弯曲运动的第四电机。

作为进一步优选地，所述应变片的数量为五个，它们各自集成安装在欠驱动假肢手的五个手指末端，并分别用于对拇指、食指、中指、无名指和小指在其运动过程中垂直于指尖面的应力数据执行实时检测。

作为进一步优选地，上述控制装置还可以配备有CyberGlove数据手套，并输出包括关节角和关节运动角速度在内的各类人手运动实时数据。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、通过为作为控制对象的欠驱动假肢手配置多个驱动电机和指尖力传感器来获取实时假肢手运动数据，同时将控制装置高度集成在欠驱动假肢手的内部，这样不仅可以避免体积庞大的计算机插接卡接口的使用，而且采用一块80mm×65mm×7mm的电路板即可满足系统控制要求，降低了电路复杂性和硬件要求；

2、通过对控制装置的内部构造进行优化设计，同时对其组件类型和关键性能参数进行改进，测试表明能够很好地复现人手的动态协调规律，显著提高各类复杂动作的精确性和适用性；

3、按照本实用新型的嵌入式运动控制装置整体结构紧凑、便于使用和安装，同时显著提高了针对不同高危工况的应用适应性，因此能够有效满足各类工业领域的复杂应用需求，且操作更为方便。

附图说明

图1是按照本实用新型优选实施例的各个假肢手驱动电机和指尖力传感器的结构示意图。

图2是按照本实用新型所构建的欠驱动假肢手嵌入式控制装置的内部构造主体示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图2是按照本实用新型所构建的嵌入式欠驱动假肢手运动控制装置的内部构造主体示意图。如图1和图2中所示，作为本实用新型的一个关键改进方面，按照本实用新型的欠驱动假肢手的运动装置包括电机组件1和指尖力传感器组件2两大部件，由此共同配合实现假肢手相关动作的驱动和反馈。

具体而言，假肢手电机组件1譬如由四个由刷直流电机共同组成，具体可采用直径为10mm的有刷直流电机，它们集成安装在作为控制对象的欠驱动假肢手的手掌内部，分别为用于实现拇指翻转运动的第一电机1-1、用于实现拇指弯曲运动的第二电机1-2、用于同时实现食指和中指弯曲运动的第三电机1-3，以及用于同时实现无名指和小指弯曲运动的第四电机1-4；指尖力传感器组件2譬如由五个应变片共同组成，具体可采用Honeywell公司FSS-SMT系列压力传感器，它们各自集成安装在欠驱动假肢手的五个手指末端，具体包括拇指指尖压力传感器2-1、食指指尖压力传感器2-2、中指指尖压力传感器2-3、无名指指尖压力传感器2-4、小指指尖压力传感器2-5，由此分别用于对各个手指运动过程中垂直于指尖面的应力数据执行实时检测。

按照本实用新型的一个优选实施例，上述第一电机1-1的减速比被设定为256:1，第二电机1-2的减速比为64:1，第三电机1-3和第四电机1-4的减速比为16:1，功率均为2.81W。测试表明，上述性能参数能够满足欠驱动假肢手各类复杂动作的精确调控，符合各类工况的要求。

作为本实用新型的另一关键改进方面，控制装置3在本实用新型中被设计为呈一块集成电路板的形式，譬如80mm×65mm×7mm的电路板，并且同样嵌入安装在欠驱动假肢手的内部，以便在解决现有设备硬件电路过于庞大的同时，还能够更为高效、精确和灵活地执行各类复杂动作的跟随控制。

具体而言，该控制装置包括电机速度检测器3-1、电机电流检测器3-2、指尖力检测器3-3和功率放大器3-4，其中该电机速度检测器3-1和该电机电流检测器3-2分别对各个所述有刷直流电机的速度和电流执行实时检测，该指尖力检测器3-3对各个所述应变片的信号执行放大，该功率放大器3-4分别与各个所述有刷直流电机电路连接，并输出功率放大后的电机驱动电流。

更具体地，该电机速度检测器3-1譬如可采用两个相同的模块，每个模块可处理两个驱动电机的编码器脉冲信号，并优选为能够将差分信号转化成单端信号的差分接收器AM26LV32E芯片，将电机编码器的差分信号转化成单端信号由此实现对假肢手电机组件1中各个有刷直流电机的速度数据的高灵敏检测。

该电机电流检测器3-2譬如可采用四个相同的模块，每个模块优选使用一个能够将微弱共模差分电压信号放大20倍的电流检测放大器(如ADI公司的AD8418芯片)和1个0.15欧姆的检流电阻，检流电阻能够将电流信号转换成电压信号，AD8418本身具有滤波、20倍放大和共模抑制功能，以此方式，电机电流经过电机电流检测器3-2后转变成能够精确检测到的电压信号。

该指尖力检测器3-3可采用四个相同的模块，用于将所述指尖力应变片实时检测的应力数据执行信号放大。作为示例，它可以采用能够将桥式应变片的共模差分电压信号放大19.3倍的精密仪表放大器(主芯片为ADI公司的AD8226和AD8426)，使得有效电压落在0-3.3V范围之内。

该功率放大器3-4优选为两个相同的模块，每个模块具有两个有刷直流电机的接口，有四个PWM波输入接口；相应地，将对这多路PWM波分别执行功率放大，然后为假肢手电机组件1中的各个有刷直流电机分别提供相应的电机驱动电流。在一个优选例中，PWM波进行功率放大至12V，并提供至少单路1.4A的电机驱动电流。

此外，上述控制单元还包括有用于为所有其他组成模块提供工作电源的电源模块3-5。它譬如可使用LM4132-3.3V芯片和LM4132-5.0V芯片，将12V的电源电压分别转换成3.3V和5V，为集成电路的其他所有模块供电，各能提供500mA电流。

按照本实用新型的优选实施例，上述控制装置还可以配备有例如由3个蓝色LED、1个红色LED、一个绿色LED组成的状态指示模块3-6；用于将电池电压分压缓冲后的状态进行检测的电池电量监测模块3-7等；这些可选配的模块具体结构在此不再赘述。

下面将具体解释按照本实用新型的欠驱动假肢手及其控制装置的工作原理。

在实际使用过程中，可以配备有为假肢手的运动提供原始轨迹的数据手套，譬如可采用CyberGlove系统公司第三代产品的CyberGlove数据手套，其为使用者所佩戴，并基于实际工况需求实时输出包括关节角和关节运动角速度在内的各类人手运动实时数据。

接着打开数据手套，并进行数据手套的校准；操作者开始抓取物体，假肢手实时跟随数据手套发送的人手运动信息抓取物体；一旦指尖力传感器组件2检测到假肢手接触到物体，作为集成电路板嵌入安装在假肢手内部的运动控制装置3便可以对各个有刷直流电机执行控制和调节，相应实现假肢手的稳定抓取。

综上，本实用新型所提供的欠驱动假肢手嵌入式控制装置高度集成且完全嵌入到欠驱动假肢手内部，降低了电路复杂性和硬件成本，因而具备整体结构紧凑、便于使用和适用面广的优点；此外，该假肢手能够全程高精度自动跟随人手运动抓取各种各样的物体，并较好地复现人手的动态协调规律。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种欠驱动假肢手嵌入式控制装置，其特征在于，该欠驱动假肢手的手掌内部安装有用于驱动各手指运动的多个有刷直流电机，该欠驱动假肢手的各手指末端分别安装有用于对手指运动过程中垂直于指尖面的应力执行检测的多个应变片；该控制装置分别与所述有刷直流电机和应变片之间信号相连，且呈现集成电路板的形式，整体嵌入安装在欠驱动假肢手的内部。

2.如权利要求1所述的欠驱动假肢手嵌入式控制装置，其特征在于，所述控制装置包括电机速度检测器、电机电流检测器、指尖力检测器和功率放大器，其中该电机速度检测器和该电机电流检测器分别对各个所述有刷直流电机的速度和电流执行实时检测，该指尖力检测器对各个所述应变片的信号执行放大，该功率放大器分别与各个所述有刷直流电机电路连接，并输出功率放大后的电机驱动电流。

3.如权利要求2所述的欠驱动假肢手嵌入式控制装置，其特征在于，所述电机速度检测器的数量为2个，并且它们各自为将差分信号转换为单端信号的差分接收器。

4.如权利要求2所述的欠驱动假肢手嵌入式控制装置，其特征在于，所述电机电流检测器的数量为4个，并且它们各自包括用于将共模差分电压信号放大的电流检测放大器和一个检流电阻。

5.如权利要求1所述的欠驱动假肢手嵌入式控制装置，其特征在于，所述有刷直流电机的数量为四个，它们安装在欠驱动假肢手的手掌内部，分别为用于实现拇指翻转运动的第一电机、用于实现拇指弯曲运动的第二电机、用于同时实现食指和中指弯曲运动的第三电机，以及用于同时实现无名指和小指弯曲运动的第四电机。

6.如权利要求1所述的欠驱动假肢手嵌入式控制装置，其特征在于，所述应变片的数量为五个，它们各自集成安装在欠驱动假肢手的五个手指末端，并分别用于对拇指、食指、中指、无名指和小指在其运动过程中垂直于指尖面的应力数据执行实时检测。