專利名稱：觸覺(jué)反饋的肌電假手力系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及以肌電信號(hào)原理設(shè)計(jì)的假肢機(jī)械手，特別是一種基于肌電控制的機(jī)械假手的力觸覺(jué)反饋方法，屬于與機(jī)械手相關(guān)的信號(hào)采集與處理、計(jì)算機(jī)等技術(shù)領(lǐng)域
背景技術(shù)：
雖然肌電控制假手已經(jīng)出現(xiàn)了很多年，但關(guān)于如何使機(jī)械假手像人手那樣能夠?qū)ν饨缡芰η闆r進(jìn)行準(zhǔn)確感知并迅速反饋給殘疾人使用者這一問(wèn)題一直都是機(jī)械手控制的重要內(nèi)容，現(xiàn)有技術(shù)的肌電假手通常都專注于肌電信號(hào)控制機(jī)械手的開合或者控制機(jī)械手夾持力度大小，卻都不能實(shí)現(xiàn)假手整體對(duì)外部受力的感知并且迅速將受力情況反饋給殘疾人使用者，這樣不能使殘疾人的方便快捷的對(duì)機(jī)械手的受力情況準(zhǔn)確了解，使殘疾人無(wú)法使用機(jī)械手正確完成類似推搡，拉拽、上托、下壓等動(dòng)作，甚至機(jī)械手與外部物體發(fā)生碰撞， 使用者都無(wú)法感知，這樣給殘疾人使用肌電假手后適應(yīng)正常生活帶來(lái)困難。
發(fā)明內(nèi)容為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本實(shí)用新型提出了腕部安裝有三維力傳感器的肌電控制假手力觸覺(jué)反饋方法，可讓使用者按正常的生活習(xí)慣運(yùn)用類似推搡，拉拽、上托、下壓等動(dòng)作進(jìn)行日常生活，并且可以防止機(jī)械手在殘疾人無(wú)意識(shí)情況下與外物碰撞。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案一種肌電假手力觸覺(jué)反饋方法，包括步驟1)先用安裝在機(jī)械假手底座上的三維力傳感器來(lái)采集機(jī)械假手所受到三維力信息；2)再把三維力信息轉(zhuǎn)換成震動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)安裝在使用者身上的振動(dòng)器；當(dāng)機(jī)械假手受到三維力時(shí)，代表相應(yīng)的受力方向振動(dòng)器就會(huì)發(fā)生振動(dòng)，而且振動(dòng)強(qiáng)度和受力大小成正比。所述振動(dòng)器共6只，分別代表分別對(duì)應(yīng)機(jī)械假手的X軸正向上的受力、X軸負(fù)方向受力、Y軸正方向受力、Y軸負(fù)方向受力、ζ軸正方向受力和Z軸負(fù)方向受力；所述步驟1)中，首先采集三維力傳感器輸出的三個(gè)軸向信號(hào)，再對(duì)這三個(gè)信號(hào)做出判斷11)先判斷X軸向信號(hào)，判斷該信號(hào)的電壓的絕對(duì)值大小是否超過(guò)預(yù)設(shè)的閾值，若已經(jīng)超過(guò)閾值，則說(shuō)明此時(shí)機(jī)械假手在X軸向上受到力作用；這時(shí)再判斷信號(hào)的正負(fù)性正代表X軸正方向受力，則驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)于X+方向的振動(dòng)器；負(fù)代表X軸負(fù)方向受力，則驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)于χ-方向的振動(dòng)器；12)再判斷Y軸向信號(hào)，判斷該信號(hào)的電壓的絕對(duì)值大小是否超過(guò)預(yù)設(shè)的閾值，若已經(jīng)超過(guò)閾值，則說(shuō)明此時(shí)機(jī)械假手在Y軸向上受到力作用；這時(shí)再判斷信號(hào)的正負(fù)性正代表Y軸正方向受力，則驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)于Y+方向的振動(dòng)器；負(fù)代表Y軸負(fù)方向受力，則驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)于Y-方向的振動(dòng)器；[0012]13)最后判斷判斷Z軸向信號(hào)，判斷該電壓信號(hào)的電壓的絕對(duì)值大小是否超過(guò)程序中預(yù)設(shè)的閾值，若已經(jīng)超過(guò)閾值，則說(shuō)明機(jī)械假手此時(shí)在Z軸向上受到力作用；這時(shí)再判斷信號(hào)的正負(fù)性正代表Z軸正方向受力，則驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)于Z+方向的振動(dòng)器；負(fù)則代表Z軸負(fù)方向受力，則驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)于Z-方向的振動(dòng)器；步驟11) 1 都完成之后再繼續(xù)采集信號(hào)，如此循環(huán)運(yùn)行。所述步驟幻中，代表相應(yīng)的受力方向振動(dòng)器的振動(dòng)強(qiáng)度和受力大小成正比的實(shí)現(xiàn)方法是，通過(guò)脈沖寬度調(diào)制電路驅(qū)動(dòng)振動(dòng)器，利用單片機(jī)輸出脈沖寬度調(diào)制電路的占空比信號(hào)；占空比計(jì)算方法如下
驅(qū)動(dòng)振動(dòng)器脈寬調(diào)制信號(hào)占空比=^iIMMIlMt。
對(duì)應(yīng)軸向信號(hào)的滿幅值一種觸覺(jué)反饋的肌電假手力系統(tǒng)，包括機(jī)械假手、三維力傳感器、控制模塊、肌電信號(hào)采集電極和振動(dòng)器；所述機(jī)械假手的底座連接三維力傳感器的受力軸；所述控制模塊包括單片機(jī)、機(jī)械假手驅(qū)動(dòng)電路，放大電路和振動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電路；單片機(jī)的信號(hào)輸入端連接肌電信號(hào)采集電極，單片機(jī)的控制信號(hào)輸出端連接機(jī)械假手驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)輸入端；機(jī)械假手驅(qū)動(dòng)電路連接驅(qū)動(dòng)機(jī)械假手的動(dòng)力裝置；三維力傳感器輸出的三維力信號(hào)分別經(jīng)放大電路放大后輸入到單片機(jī)的信號(hào)輸入端；單片機(jī)的振動(dòng)信號(hào)輸出端連接振動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電路，振動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電路連接振動(dòng)器。所述機(jī)械假手包括殼體、電機(jī)、短指和長(zhǎng)指；所述動(dòng)力裝置是電機(jī)，電機(jī)設(shè)在殼體內(nèi)；短指和長(zhǎng)指的根部都設(shè)在殼體內(nèi)，并與殼體轉(zhuǎn)動(dòng)連接；所述短指的根部設(shè)有短指根部齒輪，長(zhǎng)指的根部設(shè)有長(zhǎng)指根部齒輪，短指根部齒輪和長(zhǎng)指根部齒輪相互嚙合；所述電機(jī)的轉(zhuǎn)子上設(shè)有電機(jī)齒輪，電機(jī)齒輪連接驅(qū)動(dòng)短指根部齒輪或長(zhǎng)指根部齒輪中任一一個(gè)；所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)輸出端連接電機(jī)。還包括傳動(dòng)齒輪；傳動(dòng)齒輪包括同軸連接同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的第一齒輪和第二齒輪，第一齒輪與電機(jī)齒輪嚙和，第二齒輪與短指根部齒輪或長(zhǎng)指根部齒輪中任一一個(gè)嚙合；所述第一齒輪的齒數(shù)大于第二齒輪的齒數(shù)。電機(jī)齒輪和第一齒輪嚙合傳動(dòng)的傳動(dòng)比是4 1 ；第二齒輪和短指根部齒輪或長(zhǎng)指根部齒輪中任一一個(gè)嚙合傳動(dòng)的傳動(dòng)比是10 1 ；短指根部齒輪和長(zhǎng)指根部齒輪相互嚙合傳動(dòng)的傳動(dòng)比是1 1。所述振動(dòng)器共有6個(gè)，6個(gè)振動(dòng)器貼合在使用者的手臂不同位置，分別對(duì)應(yīng)機(jī)械假手的X軸正向上的受力、X軸負(fù)方向受力、Y軸正方向受力、Y軸負(fù)方向受力、Z軸正方向受力和Z軸負(fù)方向受力。本技術(shù)方案的原理說(shuō)明如下在機(jī)械假手的手腕部位安裝三維力傳感器，三維力傳感器的受力軸通過(guò)法蘭盤與機(jī)械手底座連接，感知機(jī)械手三軸方向的受力情況。三維力傳感器收到三維力作用后，通過(guò)電橋原理，把力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，輸入到設(shè)有單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路在內(nèi)的控制模塊， 由單片機(jī)采集三維力傳感器傳遞來(lái)的代表X、Y、Z這三個(gè)軸向上的電壓信號(hào)，由電壓信號(hào)的正負(fù)分為χ+、χ-、γ+、γ-、ζ+、ζ-這六個(gè)方向，并按照這六個(gè)方向上電壓幅值的大小輸出相對(duì)應(yīng)的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)方向上的微型振動(dòng)器，使得振動(dòng)器的振幅正比于該方向上的電壓幅值。同時(shí)六個(gè)對(duì)應(yīng)于χ+、X-、Y+、Y-、ζ+、Z-這六個(gè)方向的振動(dòng)器分別貼在殘疾人殘肢手臂的不同位置，當(dāng)不同的振動(dòng)器產(chǎn)生不同振幅時(shí)會(huì)對(duì)殘疾人的手臂產(chǎn)生不同的刺激，使殘疾人使用者能夠感知到機(jī)械手目前的受力情況，從而做出相應(yīng)的動(dòng)作變化來(lái)達(dá)到自己想要的效果。所述控制模塊設(shè)有信號(hào)放大電路、單片機(jī)、光電耦合隔離電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路；其中信號(hào)放大電路由通用的儀用放大器組成，將三維力傳感器輸出的電壓信號(hào)放大成與單片機(jī)電平相匹配的電壓信號(hào)，單片機(jī)采集到三維力傳感器傳來(lái)的X、Y、Z這三個(gè)軸向上的電壓信號(hào)后，判斷這三個(gè)信號(hào)幅值是否超過(guò)預(yù)先設(shè)定的閾值，如果沒(méi)超過(guò)則不作任何動(dòng)作，如果超過(guò)則按照該信號(hào)正負(fù)性輸出脈沖寬度調(diào)制信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的振動(dòng)器，該脈沖寬度調(diào)制信號(hào)占空比正比于電壓信號(hào)的幅值，占空比計(jì)算方法如下
驅(qū)動(dòng)振動(dòng)器脈寬刪信號(hào)占空比=畐g
對(duì)應(yīng)軸向信號(hào)的滿幅值脈寬調(diào)制信號(hào)通過(guò)光電耦合電路后導(dǎo)通三極管驅(qū)動(dòng)振動(dòng)器，機(jī)械手受力越大，三維力傳感器傳出的電壓信號(hào)越大，單片機(jī)輸出的脈寬調(diào)制信號(hào)占空比也越大，振動(dòng)器就會(huì)震動(dòng)越劇烈，給使用者的震動(dòng)刺激就越強(qiáng)烈，從而達(dá)到讓使用者感知機(jī)械手受力大小的目的。本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)本實(shí)用新型采用在機(jī)械手腕部安裝三維力傳感器的方法采集機(jī)械手的受力情況， 并通過(guò)相應(yīng)震動(dòng)刺激反饋給殘疾人使用者，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)控制反饋方法的創(chuàng)新。使用者只需要把對(duì)應(yīng)于六個(gè)不同方向的振動(dòng)器貼合在手臂的不同位置，按正常的習(xí)慣來(lái)使用肌電假手，進(jìn)行類似于推搡，拉拽、上托、下壓等動(dòng)作，就能通過(guò)振動(dòng)器感知到肌電假手在各個(gè)方向上的受力大小，并根據(jù)實(shí)時(shí)情況改變自己的動(dòng)作及力度大小正常進(jìn)行日常生活，使用起來(lái)快速靈活，又可以防止無(wú)意識(shí)情況下機(jī)械手于外物的碰撞，避免損壞機(jī)械手或其他貴重物品，幫助斷肢殘疾人完成多種動(dòng)作，更好的恢復(fù)正常生活。

圖1為本技術(shù)方案總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖中，機(jī)械假手11、三維力傳感器12、肌電信號(hào)采集電極13、振動(dòng)器14、控制模塊15。圖2為本技術(shù)方案的振動(dòng)器在手臂貼合位置示意圖；圖中，21 沈分別表示不同的振動(dòng)器。圖3為本技術(shù)方案機(jī)械手與三維力傳感器聯(lián)接結(jié)構(gòu)示意圖；圖中，機(jī)械假手的底座31、三維力傳感器32、三維力傳感器33。圖4為本技術(shù)方案原理框圖。圖5為本技術(shù)方案方法的工作流程圖。圖6(a) 圖6(c)為本技術(shù)方案中控制模塊電路圖。圖6a為三個(gè)儀用放大器AD620電路示意圖、圖6b為單片機(jī)C8051F320示意圖、圖6c為六個(gè)光電耦合隔離電路及三極管驅(qū)動(dòng)電路示意圖。圖7為機(jī)械假手結(jié)構(gòu)示意圖，圖中，肌電信號(hào)采集電極71、電機(jī)73、電機(jī)齒輪74、第一齒輪75、第二齒輪76、短指根部齒輪77、長(zhǎng)指根部齒輪78、短指79、長(zhǎng)指710。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明一種肌電假手力觸覺(jué)反饋方法，是包括步驟1)先用安裝在機(jī)械假手底座上的三維力傳感器來(lái)采集機(jī)械假手所受到三維力信息；2)再把三維力信息轉(zhuǎn)換成震動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)安裝在使用者身上的振動(dòng)器；當(dāng)機(jī)械假手受到三維力時(shí)，代表相應(yīng)的受力方向振動(dòng)器就會(huì)發(fā)生振動(dòng)，而且振動(dòng)強(qiáng)度和受力大小成正比。所述振動(dòng)器共6只，分別代表分別對(duì)應(yīng)機(jī)械假手的X軸正向上的受力、X軸負(fù)方向受力、Y軸正方向受力、Y軸負(fù)方向受力、ζ軸正方向受力和Z軸負(fù)方向受力；所述步驟1)中，首先采集三維力傳感器輸出的三個(gè)軸向信號(hào)，再對(duì)這三個(gè)信號(hào)做出判斷11)先判斷X軸向信號(hào)，判斷該信號(hào)的電壓的絕對(duì)值大小是否超過(guò)預(yù)設(shè)的閾值，若已經(jīng)超過(guò)閾值，則說(shuō)明此時(shí)機(jī)械假手在X軸向上受到力作用；這時(shí)再判斷信號(hào)的正負(fù)性正代表X軸正方向受力，則驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)于X+方向的振動(dòng)器；負(fù)代表X軸負(fù)方向受力，則驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)于χ-方向的振動(dòng)器；12)再判斷Y軸向信號(hào)，判斷該信號(hào)的電壓的絕對(duì)值大小是否超過(guò)預(yù)設(shè)的閾值，若已經(jīng)超過(guò)閾值，則說(shuō)明此時(shí)機(jī)械假手在Y軸向上受到力作用；這時(shí)再判斷信號(hào)的正負(fù)性正代表Y軸正方向受力，則驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)于Y+方向的振動(dòng)器；負(fù)代表Y軸負(fù)方向受力，則驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)于Y-方向的振動(dòng)器；13)最后判斷判斷Z軸向信號(hào)，判斷該電壓信號(hào)的電壓的絕對(duì)值大小是否超過(guò)程序中預(yù)設(shè)的閾值，若已經(jīng)超過(guò)閾值，則說(shuō)明機(jī)械假手此時(shí)在Z軸向上受到力作用；這時(shí)再判斷信號(hào)的正負(fù)性正代表Z軸正方向受力，則驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)于Z+方向的振動(dòng)器；負(fù)則代表Z軸負(fù)方向受力，則驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)于Z-方向的振動(dòng)器；步驟11) 1 都完成之后再繼續(xù)采集信號(hào)，如此循環(huán)運(yùn)行。所述步驟2、中，代表相應(yīng)的受力方向振動(dòng)器的振動(dòng)強(qiáng)度和受力大小成正比的實(shí)現(xiàn)方法是，通過(guò)脈沖寬度調(diào)制電路驅(qū)動(dòng)振動(dòng)器，利用單片機(jī)輸出脈沖寬度調(diào)制電路的占空比信號(hào)；占空比計(jì)算方法如下
驅(qū)動(dòng)振動(dòng)器脈寬刪信號(hào)占空比=畐g。
對(duì)應(yīng)軸向信號(hào)的滿幅值一種觸覺(jué)反饋的肌電假手力系統(tǒng)，包括機(jī)械假手、三維力傳感器、控制模塊、肌電信號(hào)采集電極和振動(dòng)器；所述機(jī)械假手的底座連接三維力傳感器的受力軸；所述控制模塊包括單片機(jī)、機(jī)械假手驅(qū)動(dòng)電路，放大電路和振動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電路；單片機(jī)的信號(hào)輸入端連接肌電信號(hào)采集電極，單片機(jī)的控制信號(hào)輸出端連接機(jī)械
6假手驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)輸入端；機(jī)械假手驅(qū)動(dòng)電路連接驅(qū)動(dòng)機(jī)械假手的動(dòng)力裝置；三維力傳感器輸出的三維力信號(hào)分別經(jīng)放大電路放大后輸入到單片機(jī)的信號(hào)輸入端；單片機(jī)的振動(dòng)信號(hào)輸出端連接振動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電路，振動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電路連接驅(qū)動(dòng)振動(dòng)器。所述機(jī)械假手包括殼體、電機(jī)、短指和長(zhǎng)指；所述動(dòng)力裝置是電機(jī)，電機(jī)設(shè)在殼體內(nèi)；短指和長(zhǎng)指的根部都設(shè)在殼體內(nèi)，并與殼體轉(zhuǎn)動(dòng)連接；所述短指的根部設(shè)有短指根部齒輪，長(zhǎng)指的根部設(shè)有長(zhǎng)指根部齒輪，短指根部齒輪和長(zhǎng)指根部齒輪相互嚙合；所述電機(jī)的轉(zhuǎn)子上設(shè)有電機(jī)齒輪，電機(jī)齒輪連接驅(qū)動(dòng)短指根部齒輪或長(zhǎng)指根部齒輪中任一一個(gè)；所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)輸出端連接電機(jī)。包括傳動(dòng)齒輪；傳動(dòng)齒輪包括同軸連接同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的第一齒輪和第二齒輪，第一齒輪與電機(jī)齒輪嚙和，第二齒輪與短指根部齒輪或長(zhǎng)指根部齒輪中任一一個(gè)嚙合；所述第一齒輪的齒數(shù)大于第二齒輪的齒數(shù)。電機(jī)齒輪和第一齒輪嚙合傳動(dòng)的傳動(dòng)比是4 1;第二齒輪和短指根部齒輪或長(zhǎng)指根部齒輪中任一一個(gè)嚙合傳動(dòng)的傳動(dòng)比是10 1;短指根部齒輪和長(zhǎng)指根部齒輪相互嚙合傳動(dòng)的傳動(dòng)比是1 1。所述振動(dòng)器共有6個(gè)，6個(gè)振動(dòng)器貼合在使用者的手臂不同位置，分別對(duì)應(yīng)機(jī)械假手的X軸正向上的受力、X軸負(fù)方向受力、Y軸正方向受力、Y軸負(fù)方向受力、Z軸正方向受力和Z軸負(fù)方向受力。如圖1所示(圖中機(jī)械假手只畫出了用于夾持的二根手指)，兩個(gè)肌電信號(hào)采集電極連接到安裝于三維力傳感器底座內(nèi)的控制模塊，用于提供機(jī)械手開合的控制信號(hào)，三維力傳感器的受力軸頂端通過(guò)法蘭盤與機(jī)械手的底座連接，連接方式如圖3所示，六個(gè)振動(dòng)器連接到控制模塊，接受控制模塊傳遞的驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生振動(dòng)反饋給殘疾人使用者。如圖2所示，六個(gè)振動(dòng)器貼合在殘疾人使用者的手臂不同位置，其中振動(dòng)器21對(duì)應(yīng)于機(jī)械手的X軸正向上的受力，當(dāng)機(jī)械手在該方向上受力時(shí)，振動(dòng)器21開始振動(dòng)反饋給殘疾人使用者，并且受力越大，振動(dòng)越劇烈。類似的，振動(dòng)器22對(duì)應(yīng)于X軸負(fù)方向受力，振動(dòng)器23對(duì)應(yīng)于Y軸正方向受力，振動(dòng)器M對(duì)應(yīng)于Y軸負(fù)方向受力，振動(dòng)器25對(duì)應(yīng)于Z軸正方向受力，振動(dòng)器26對(duì)應(yīng)于Z軸負(fù)方向受力。圖3表示了三維力傳感器與機(jī)械手的連接方式，其中三維力傳感器的受力軸頂端通過(guò)法蘭盤與機(jī)械假手的底座連接。如圖4所示，殘疾人使用者使用肌電假手在日常生活中執(zhí)行各種動(dòng)作時(shí)，肌電假手會(huì)接觸外物受到三維力作用，三維力傳遞到三維力傳感器上，經(jīng)過(guò)電橋作用將力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，控制模塊采集電壓信號(hào)判斷其大小和對(duì)應(yīng)方向，輸出脈寬調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的振動(dòng)器，振動(dòng)器的振動(dòng)再反饋給殘疾人使用者。如圖5所示，首先采集三維力傳感器輸出的三個(gè)軸向信號(hào)，再對(duì)這三個(gè)信號(hào)做出判斷，先判斷X軸向信號(hào)，看該電壓信號(hào)的絕對(duì)值大小是否超過(guò)程序中預(yù)先設(shè)定的閾值，若已經(jīng)超過(guò)閾值，則說(shuō)明機(jī)械假手在X軸向上受到力作用，這時(shí)再判斷信號(hào)的正負(fù)性正代表 X軸正方向受力，就需要驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)于X+方向的振動(dòng)器；負(fù)則代表χ軸負(fù)方向受力，就需要驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)于X-方向的振動(dòng)器。然后再判斷Y軸向信號(hào)，看該電壓信號(hào)的絕對(duì)值大小是否超過(guò)程序中預(yù)先設(shè)定的閾值，若已經(jīng)超過(guò)閾值，則說(shuō)明機(jī)械假手在Y軸向上受到力作用，這時(shí)再判斷信號(hào)的正負(fù)性正代表Y軸正方向受力，就需要驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)于Y+方向的振動(dòng)器；負(fù)則代表Y軸負(fù)方向受力，就需要驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)于Y-方向的振動(dòng)器。最后判斷判斷Z軸向信號(hào)，看該電壓信號(hào)的絕對(duì)值大小是否超過(guò)程序中預(yù)先設(shè)定的閾值，若已經(jīng)超過(guò)閾值，則說(shuō)明機(jī)械假手在Z軸向上受到力作用，這時(shí)再判斷信號(hào)的正負(fù)性正代表Z軸正方向受力，就需要驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)于Z+方向的振動(dòng)器；負(fù)則代表Z軸負(fù)方向受力，就需要驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)于Z-方向的振動(dòng)器。 這些都完成之后再繼續(xù)采集信號(hào)，如此循環(huán)運(yùn)行。如圖6所示，控制模塊包括三個(gè)儀用放大器AD620電路(圖6a)、單片機(jī) C8051F320(圖6b)、六個(gè)光電耦合隔離電路及三極管驅(qū)動(dòng)電路(圖6c)，以上電路均為本領(lǐng)域熟知的常規(guī)電路。本例采用東南大學(xué)機(jī)器人傳感與控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)室自主研制的直接輸出型機(jī)器人四維力與力矩傳感器(公開號(hào)CN 1425903A)，使其輸出三維力信號(hào)，不輸出力矩信號(hào)，輸出電壓范圍為-1. 4V +1. 4V，額定載荷范圍為-100N +100N。插頭CNT3\1的三個(gè)接頭分別與三維力傳感器的三路信號(hào)輸出端連接，接受三維力信號(hào)，輸入到三個(gè)儀用放大器AD620 的正輸入端進(jìn)行信號(hào)放大處理，將原來(lái)輸出電壓范圍為-1. 4V +1. 4V的信號(hào)放大為輸出電壓范圍為-2. 8V +2. 8V的信號(hào)，匹配單片機(jī)的輸入電平，提高信號(hào)采集和控制的精確度，三個(gè)AD620的輸出端連接到單片機(jī)C8051F320的P1.0 口、Pl. 1 口和P12 口，供單片機(jī)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，單片機(jī)根據(jù)三路AD轉(zhuǎn)換后的結(jié)果進(jìn)行過(guò)圖5所示的判斷流程之后，決定應(yīng)該發(fā)出怎樣的脈寬調(diào)制信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)器。單片機(jī)的Pl. 3 口、Pl. 4 口、Pl. 5 口、Pl. 6 口、Pl. 7 口、P2. 0 口發(fā)出脈寬調(diào)制信號(hào)連接到六路光電耦合隔離電路的輸入端Χ+、X-、Y+、Y-、Z+、 Z-,六路光電耦合電路的輸出端都連接到一個(gè)PNP三級(jí)管的基極。以X+方向振動(dòng)器驅(qū)動(dòng)方法為例當(dāng)光電耦合電路的輸入端X+為高電平時(shí)，則輸出端為低電平，這樣會(huì)導(dǎo)通三極管， 驅(qū)動(dòng)振動(dòng)器MX+。其他振動(dòng)器驅(qū)動(dòng)方法相同。機(jī)械手受力越大，三維力傳感器傳出的電壓信號(hào)越大，單片機(jī)輸出的脈寬調(diào)制信號(hào)占空比也越大，則三級(jí)管導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)，振動(dòng)器就會(huì)震動(dòng)越劇烈，給使用者的震動(dòng)刺激就越強(qiáng)烈，從而達(dá)到讓使用者感知機(jī)械手受力大小的目的。
權(quán)利要求1.一種觸覺(jué)反饋的肌電假手力系統(tǒng)，其特征是包括機(jī)械假手、三維力傳感器、控制模塊、肌電信號(hào)采集電極和振動(dòng)器；所述機(jī)械假手的底座連接三維力傳感器的受力軸；所述控制模塊包括單片機(jī)、機(jī)械假手驅(qū)動(dòng)電路，放大電路和振動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電路；單片機(jī)的信號(hào)輸入端連接肌電信號(hào)采集電極，單片機(jī)的控制信號(hào)輸出端連接機(jī)械假手驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)輸入端；機(jī)械假手驅(qū)動(dòng)電路連接驅(qū)動(dòng)機(jī)械假手的動(dòng)力裝置；三維力傳感器輸出的三維力信號(hào)分別經(jīng)放大電路放大后輸入到單片機(jī)的信號(hào)輸入端； 單片機(jī)的振動(dòng)信號(hào)輸出端連接振動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電路，振動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電路連接振動(dòng)器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的觸覺(jué)反饋的肌電假手力系統(tǒng)，其特征是所述機(jī)械假手包括殼體、電機(jī)、短指和長(zhǎng)指；所述動(dòng)力裝置是電機(jī)，電機(jī)設(shè)在殼體內(nèi)；短指和長(zhǎng)指的根部都設(shè)在殼體內(nèi)，并與殼體轉(zhuǎn)動(dòng)連接；所述短指的根部設(shè)有短指根部齒輪，長(zhǎng)指的根部設(shè)有長(zhǎng)指根部齒輪，短指根部齒輪和長(zhǎng)指根部齒輪相互嚙合；所述電機(jī)的轉(zhuǎn)子上設(shè)有電機(jī)齒輪，電機(jī)齒輪連接驅(qū)動(dòng)短指根部齒輪或長(zhǎng)指根部齒輪中任一一個(gè)；所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)輸出端連接電機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的觸覺(jué)反饋的肌電假手力系統(tǒng)，其特征是包括傳動(dòng)齒輪；傳動(dòng)齒輪包括同軸連接同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的第一齒輪和第二齒輪，第一齒輪與電機(jī)齒輪嚙和，第二齒輪與短指根部齒輪或長(zhǎng)指根部齒輪中任一一個(gè)嚙合；所述第一齒輪的齒數(shù)大于第二齒輪的齒數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的觸覺(jué)反饋的肌電假手力系統(tǒng)，其特征是電機(jī)齒輪和第一齒輪嚙合傳動(dòng)的傳動(dòng)比是4 1 ；第二齒輪和短指根部齒輪或長(zhǎng)指根部齒輪中任一一個(gè)嚙合傳動(dòng)的傳動(dòng)比是10 1;短指根部齒輪和長(zhǎng)指根部齒輪相互嚙合傳動(dòng)的傳動(dòng)比是1 1。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的觸覺(jué)反饋的肌電假手力系統(tǒng)，其特征是所述振動(dòng)器共有6個(gè)， 6個(gè)振動(dòng)器貼合在使用者的手臂不同位置，分別對(duì)應(yīng)機(jī)械假手的X軸正向上的受力、X軸負(fù)方向受力、Y軸正方向受力、Y軸負(fù)方向受力、Z軸正方向受力和Z軸負(fù)方向受力；X+、X-、Y+、 γ-、ζ+、ζ-，六路光電耦合電路的輸出端都連接到一個(gè)PNP三級(jí)管的基極；以X+方向振動(dòng)器驅(qū)動(dòng)方法為例當(dāng)光電耦合電路的輸入端X+為高電平時(shí)，則輸出端為低電平，這樣會(huì)導(dǎo)通三極管，驅(qū)動(dòng)振動(dòng)器MX+。其他振動(dòng)器驅(qū)動(dòng)方法相同；機(jī)械手受力越大，三維力傳感器傳出的電壓信號(hào)越大，單片機(jī)輸出的脈寬調(diào)制信號(hào)占空比也越大，則三級(jí)管導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)，振動(dòng)器就會(huì)震動(dòng)越劇烈，給使用者的震動(dòng)刺激就越強(qiáng)烈，從而達(dá)到讓使用者感知機(jī)械手受力大小的目的。
專利摘要一種觸覺(jué)反饋的肌電假手力系統(tǒng)，包括機(jī)械假手、三維力傳感器、控制模塊、肌電信號(hào)采集電極和振動(dòng)器；所述機(jī)械假手的底座連接三維力傳感器的受力軸；所述控制模塊包括單片機(jī)、機(jī)械假手驅(qū)動(dòng)電路，放大電路和振動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電路；單片機(jī)的信號(hào)輸入端連接肌電信號(hào)采集電極，單片機(jī)的控制信號(hào)輸出端連接機(jī)械假手驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)輸入端；機(jī)械假手驅(qū)動(dòng)電路連接驅(qū)動(dòng)機(jī)械假手的動(dòng)力裝置；三維力傳感器輸出的三維力信號(hào)分別經(jīng)放大電路放大后輸入到單片機(jī)的信號(hào)輸入端；單片機(jī)的振動(dòng)信號(hào)輸出端連接振動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電路，振動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電路連接振動(dòng)器。
文檔編號(hào)A61F2/72GK202235784SQ201120310460
公開日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2011年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月25日
發(fā)明者吳常鋮, 宋愛國(guó), 崔建偉, 李會(huì)軍, 章華濤, 茅晨, 錢夔 申請(qǐng)人:東南大學(xué)