專利名稱：一種上假肢手部姿態(tài)自平衡控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及殘疾人用的上假肢或機器人機械手，尤其涉及上假肢手部在移動中自動維持姿態(tài)平衡的控制技術(shù)。
背景技術(shù)：
通常，人們從桌子上端起一杯水放到嘴邊飲用，在移動過程中必須要保持水杯的姿態(tài)維持不變，否則水就會灑出。對于人來說這是很簡單平常的一個動作，可對于機器人或上假肢來說實現(xiàn)起來就有很大的難度。機器人或上假肢要完成一些抓放作業(yè)，事先必須要描述出來手部的起始狀態(tài)(注所謂“狀態(tài)”包含位置與姿態(tài)兩種信息)和目標狀態(tài)，以便使得其手部能準確抓取到物·體并將其以要求的姿態(tài)放到需要的地方。而對于端水杯那樣的一些特殊抓放作業(yè)，不僅要描述手部的起始狀態(tài)和目標狀態(tài)，還需要指明手部移動過程中在起始狀態(tài)和目標狀態(tài)之間的若干途徑點處的狀態(tài)，以保證水杯在移動過程中姿態(tài)穩(wěn)定，不至于發(fā)生傾斜而灑落杯中水，這就要對機械手的運動進行連續(xù)軌跡規(guī)劃。軌跡規(guī)劃一般有兩種方式，一種是在關(guān)節(jié)空間進行軌跡規(guī)劃，一種是在笛卡爾空間進行軌跡規(guī)劃。在關(guān)節(jié)空間內(nèi)的軌跡規(guī)劃，雖然計算速度快，易于實時進行，但是卻往往無法保證移動過程中手部姿態(tài)的維持，在端水杯這樣的工作中明顯不適用。要實現(xiàn)手部移動過程中杯子中的水不灑落，必須要在笛卡爾空間中進行軌跡規(guī)劃。而在笛卡爾空間的軌跡規(guī)劃，需要在笛卡爾空間與關(guān)節(jié)空間之間進行實時映射，這是一個計算量很大的任務(wù)，常常導(dǎo)致較長的控制間隔；再者，由笛卡爾空間向關(guān)節(jié)空間的變換是病態(tài)的，它不是一對一的映射；另外，由于假手的工作對象的起始狀態(tài)和目標狀態(tài)都是隨機的，對于起始狀態(tài)和目標狀態(tài)的描述尚且難以實現(xiàn)，而對其途徑狀態(tài)點的描述更是困難重重。所以要保持端水杯移動過程手部姿態(tài)的維持不變非常不易。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是公開一種保證上假肢或機械手的手部姿態(tài)在運動過程中自動維持平衡的控制系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，可以在手臂做任意的上下、左右、前后運動時，都能夠自動保持上假肢或機械手的手部姿態(tài)平衡穩(wěn)定。本實用新型的技術(shù)方案是一種上假肢手部姿態(tài)自平衡控制系統(tǒng)，它包括手部平衡控制器和固定在上假肢前臂上的傾角傳感器，手部平衡控制器通過串口與上假肢的前臂扭轉(zhuǎn)舵機和手腕俯仰舵機連接；所述的手部平衡控制器由MCU、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、電源管理模塊和串口連接組成。上述傾角傳感器是一種電壓型雙軸傾角傳感器，為現(xiàn)有結(jié)構(gòu)。本實用新型的工作方法如下第一步傾角傳感器的安裝[0013]將傾角傳感器安裝在受前臂扭轉(zhuǎn)舵機驅(qū)動的前臂的某一個位置上，傾角傳感器安裝要求如下傾角傳感器在前臂的上下位置允許變化，但是一定要保證傾角傳感器的X軸和Y軸所構(gòu)成的平面與此時手部虎口所處的平面平行，而且一定要保證傾角傳感器的X軸的方向與前臂的中軸線平行，Y軸的方向與前臂的中軸線垂直；第二步控制上假肢手部姿態(tài)保持平衡，具體分為以下兩個方面一 控制手腕俯仰舵機保持平衡 當手部平衡控制器接收到傾角傳感器實時測得的傾角傳感器的X軸向下偏離水平面并和水平面形成一個夾角時，則手部平衡控制器就會控制手腕俯仰舵機上抬相應(yīng)的角度；同理，手部平衡控制器接收到傾角傳感器實時測得的傾角傳感器的X軸向上偏離水平面并和水平面形成一個夾角時，則手部平衡控制器就會控制手腕俯仰舵機下落相應(yīng)的角度；當手部平衡控制器接收到傾角傳感器實時測得的傾角傳感器的X軸與水平面平行時，則手部平衡控制器就不需要控制手腕俯仰舵機轉(zhuǎn)動。二控制前臂扭轉(zhuǎn)舵機保持平衡當手部平衡控制器接收到傾角傳感器實時測得的傾角傳感器的Y軸向下偏離水平面并和水平面形成一個夾角時，說明假肢手部虎口向身體內(nèi)側(cè)傾斜，手部平衡控制器就會控制前臂扭轉(zhuǎn)舵機向身體外側(cè)轉(zhuǎn)動，帶動前臂及安裝在其上面的傾角傳感器向身體外側(cè)轉(zhuǎn)動，使傾角傳感器的Y軸方向由向下偏離水平面逐漸向與水平面平行變化；當手部平衡控制器接收到傾角傳感器實時測得的傾角傳感器的Y軸向上偏離水平面并和水平面形成一個夾角時，說明假肢手部虎口向身體外側(cè)傾斜，手部平衡控制器就會控制前臂扭轉(zhuǎn)舵機向身體內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)動，帶動前臂及安裝在其上面的傾角傳感器向身體內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)動，使傾角傳感器的Y軸方向由向上偏離水平面逐漸向與是平面平行變化；當手部平衡控制器接收到傾角傳感器的Y軸與水平面平行時，說明此時假肢手部的虎口方向垂直向上，這樣手部平衡控制器就不需要控制前臂扭轉(zhuǎn)舵機轉(zhuǎn)動。下面根據(jù)工作原理說明本實用新型的積極效果。本實用新型的目的主要是控制上假肢或機械手在一些特殊操作過程中手部虎口方向始終保持垂直向上，基于這一機理，本實用新型的工作原理是，在手臂做上下、左右、前后等運動時，傾角傳感器將實時檢測到的前臂姿態(tài)變化數(shù)據(jù)信息通過手部平衡控制器內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路發(fā)送到手部平衡控制器內(nèi)，手部平衡控制器可以根據(jù)傾角傳感器的X軸和Y軸分別相對于水平面的傾斜角度，來自動調(diào)節(jié)前臂扭轉(zhuǎn)舵機和手腕俯仰舵機的旋轉(zhuǎn)方向及轉(zhuǎn)角大小，以使上假肢手部的虎口方向保持垂直向上，來保持手部姿態(tài)的平衡維持；上述的前臂姿態(tài)變化數(shù)據(jù)信息包括兩個傾斜角度，一是傾角傳感器的X軸相對于水平面的傾斜角度，即人體的前后方向，二是傾角傳感器的Y軸相對于水平面的傾斜角度，即人體的左右方向。因此通過該系統(tǒng)，實現(xiàn)了手臂做任意的上下、左右、前后運動時，都能夠自動保持上假肢或機械手的手部姿態(tài)平衡穩(wěn)定，解決了人們長期以來無法解決的難題。

下面以右側(cè)上假肢為例說明本實用新型的實施例。圖I是上假肢手部姿態(tài)自平衡控制原理框圖；圖2是上假肢自然下垂時傾角傳感器與上假肢的安裝位置關(guān)系圖；[0024]圖3是前臂向上抬起到水平位置時，手部虎口朝上示意圖；圖4是前臂向上抬起到水平位置時，手部虎口朝內(nèi)示意圖；圖5是前臂向上抬起到水平位置時，手部虎口朝外示意圖；圖6是前臂上抬一個角度但是還未到達水平位置時，手腕俯仰舵機未做平衡調(diào)整前手部姿態(tài)示意圖；圖7是前臂上抬一個角度但是還未到達水平位置時，手腕俯仰舵機做平衡調(diào)整后手部姿態(tài)示意圖；圖8是前臂上抬一個角度并且超過水平位置時，手腕俯仰舵機未做平衡調(diào)整前手 部姿態(tài)示意圖；圖9是前臂上抬一個角度并且超過水平位置時，手腕俯仰舵機做平衡調(diào)整后手部姿態(tài)示意圖；圖10是傾角傳感器上的X軸和Y軸方向示意圖；圖11是手部平衡控制器的電路框圖。圖中I-手部平衡控制器，2-傾角傳感器，3-前臂扭轉(zhuǎn)舵機，4-手腕俯仰舵機，5-傾角傳感器的X軸，6-傾角傳感器的Y軸，7-MCU，8-電源管理模塊，9-串口，10-模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。
具體實施方式
下面根據(jù)附圖對本實用新型的實施例進一步說明。如圖I、圖2所示，本實用新型上假肢手部姿態(tài)自平衡控制系統(tǒng)，是在上假肢的前臂上固定有傾角傳感器2，它還包括有手部平衡控制器1，手部平衡控制器I通過串口 9與上假肢的前臂扭轉(zhuǎn)舵機3和手腕俯仰舵機4連接；傾角傳感器2將實時檢測到的前臂姿態(tài)變化數(shù)據(jù)信息通過手部平衡控制器I內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路10發(fā)送到手部平衡控制器I內(nèi)，手部平衡控制器I實時控制調(diào)整前臂扭轉(zhuǎn)舵機3和手腕俯仰舵機4的運動方向和角度，從而使手部虎口方向保持垂直向上；上述的前臂姿態(tài)變化數(shù)據(jù)信息包括兩個傾斜角度，如圖10所示，一是傾角傳感器2的X軸5相對于水平面的傾斜角度，即人體的前后方向，二是傾角傳感器2的Y軸6相對于水平面的傾斜角度，即人體的左右方向；其中如圖11所示，所述的手部平衡控制器I由MCU7、電源管理模塊8、串口 9和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路10連接組成。為了便于實施，根據(jù)圖2-10再描述實施例的工作原理。一、傾角傳感器2的安裝要求當肘部關(guān)節(jié)處于自然下垂狀態(tài)情形下，調(diào)整前臂扭轉(zhuǎn)舵機3和手腕俯仰舵機4，使假肢手部與前臂處于自然順直狀態(tài)并且虎口方向水平朝向人體的前方。將傾角傳感器2安裝在受前臂扭轉(zhuǎn)舵機3驅(qū)動的前臂的某一個位置上，其在前臂的上下位置可以變化，但是一定要保證傾角傳感器2的X軸5和Y軸6所構(gòu)成的平面與此時手部虎口所處的平面平行，而且一定要保證傾角傳感器2的X軸5的方向與前臂的中軸線平行，Y軸6的方向與前臂的中軸線垂直，如圖2所不。用傾角傳感器2可以感測其本身的X軸5和Y軸6與水平面的傾斜角度(其表達的是前臂的空間姿態(tài))，這里設(shè)為a和P，測量范圍為0° -180°。當前臂自然下垂時，如圖2所示，a =0° (此時傾角傳感器2的X軸5方向處于鉛垂狀態(tài))；當前臂上抬至水平姿態(tài)時，如圖3所示，a =90° (此時傾角傳感器2的X軸5方向處于水平狀態(tài))；當前臂上舉至垂直時，a =180° (此時傾角傳感器2的X軸5方向處于垂直向上狀態(tài))；當前臂端平且假肢手部與前臂處于自然順直狀態(tài)，轉(zhuǎn)動前臂扭轉(zhuǎn)舵機3使假肢手部的虎口垂直向上時，如圖3所示，P =90° (此時傾角傳感器2的Y軸6方向處于水平狀態(tài))；當前臂端平且假肢手部與前臂處于自然順直狀態(tài)，轉(zhuǎn)動前臂扭轉(zhuǎn)舵機3使假肢手部的虎口方向水平指向身體內(nèi)側(cè)時，如圖4所示，@ =0° (此時傾角傳感器2的Y軸6方向處于箭頭向下鉛垂狀態(tài))；當前臂端平且假肢手部與前臂處于自然順直狀態(tài)，轉(zhuǎn)動前臂扭轉(zhuǎn)舵機3使假肢手部的虎口方向水平指向身體外側(cè)時，如圖5所示，P =180° (此時傾角傳感器2的Y軸6方向處于箭頭垂直向上狀態(tài))。二、手腕俯仰舵機4保持平衡原理當手部平衡控制器I接收到傾角傳感器2實時測得的a < 90° (如圖6所示)，則手部平衡控制器I就會控制手腕俯仰舵機4上抬的角度值為I a -90° I，手腕俯仰舵機4運動到位后，假肢手部的姿態(tài)將如圖7所示；當手部平衡控制器I接收到傾角傳感器2實時測得的a > 90° (如圖8所示)，則手部平衡控制器I就會控制手腕俯仰舵機4下落的角度值為I a -90° I，手腕俯仰舵機4運動到位后，假肢手部的姿態(tài)將如圖9所示；當手部平衡控制器I接收到傾角傳感器2實時測得的a = 90° (如圖3所示)，則手部平衡控制器I就會控制手腕俯仰舵機4轉(zhuǎn)動的角度值為I a-90° I =0°，即此時，手腕俯仰舵機4不需要轉(zhuǎn)動就能保證假肢手部的虎口方向垂直向上。一、前臂扭轉(zhuǎn)舵機3保持平衡原理當手部平衡控制器I接收到傾角傳感器2實時測得的P <90°時(如圖4所示)，說明假肢手部虎口向身體內(nèi)側(cè)傾斜，手部平衡控制器I就會控制前臂扭轉(zhuǎn)舵機3向身體外側(cè)轉(zhuǎn)動，帶動前臂及安裝在其上面的傾角傳感器2向身體外側(cè)轉(zhuǎn)動，使傾角傳感器2實時測得的P的值由P < 90°向P = 90°變化；當前臂扭轉(zhuǎn)舵機2到達平衡位置= 90° )時，假肢手部姿態(tài)將如圖3所示；當手部平衡控制器I接收到傾角傳感器2實時測得的P >90°時(如圖5所示)，說明假肢手部虎口向身體外側(cè)傾斜，手部平衡控制器I就會控制前臂扭轉(zhuǎn)舵機3向身體內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)動，帶動前臂及安裝在其上面的傾角傳感器2向身體內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)動，使傾角傳感器2實時測得的3的值由P > 90°向P = 90°變化；當前臂扭轉(zhuǎn)舵機3到達平衡位置= 90° )時，假肢手部姿態(tài)將如圖3所示；當手部平衡控制器I接收到傾角傳感器2實時測得的P =90°時，如圖3所示，說明此時假肢手部的虎口方向垂直向上，這樣手部平衡控制器I就不會控制前臂扭轉(zhuǎn)舵機3轉(zhuǎn)動。
權(quán)利要求1.一種上假肢手部姿態(tài)自平衡控制系統(tǒng)，它包括手部平衡控制器和固定在上假肢前臂上的傾角傳感器，手部平衡控制器通過串口與上假肢的前臂扭轉(zhuǎn)舵機和手腕俯仰舵機連接; 所述的手部平衡控制器由MCU、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、電源管理模塊和串口連接組成； 上述傾角傳感器是一種電壓型雙軸傾角傳感器。
專利摘要本實用新型公開了一種上假肢手部姿態(tài)自平衡控制系統(tǒng)，它包括手部平衡控制器和固定在上假肢前臂上的電壓型雙軸傾角傳感器，手部平衡控制器通過串口與上假肢的前臂扭轉(zhuǎn)舵機和手腕俯仰舵機連接；所述的手部平衡控制器由MCU、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、電源管理模塊和串口連接組成。在手臂做運動時，傳感器將實時檢測到的前臂姿態(tài)變化數(shù)據(jù)信息通過控制器內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路發(fā)送到控制器內(nèi)，控制器可以根據(jù)傳感器檢測到的傾斜角度，來自動調(diào)節(jié)前臂扭轉(zhuǎn)舵機和手腕俯仰舵機的旋轉(zhuǎn)方向及轉(zhuǎn)角大小，以使上假肢手部的虎口方向保持垂直向上，實現(xiàn)了手臂做任意的上下、左右、前后運動時，都能夠自動保持上假肢或機械手的手部姿態(tài)平衡穩(wěn)定。
文檔編號B25J13/08GK202776646SQ20122037906
公開日2013年3月13日 申請日期2012年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月20日
發(fā)明者樊炳輝, 紀鵬, 趙振愛, 李建功, 周凱 申請人:山東科技大學(xué)