专利名称：假手握力自适应控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种假手握力自适应控制装置，属康复工程领域和机器人技术领域。
目前肌电假手一般不具备握力自适应性和握物感觉的反馈能力，在使用过程中，截肢者只能靠视觉来判断假手与物体的接触状态，而握物时握力的大小也无法了解和控制，造成握物失误率高等问题，这样就给使用者带来许多不便和心理压力。例如贝尔格莱德手有一个由三组压感元件组成的压力反馈系统，由于它的作用，假手一旦被触发启动以后，就自动地以预定大小的握力握住物体，此握力不因物体重量和质地的不同而改变，而且也无反馈到使用者的控制。
本发明的目的是设计一种假手握力自适应控制装置，以实现假手的握力自适应控制和握物感觉的反馈。在控制装置中，用触、觉传感器进行握物状态识别，用压觉传感器跟踪检测握物时握力的大小，用滑觉传感器检测指物间任何方向的滑移，实现握力的补偿，达到以临界握力握物。使截肢者在使用肌电假手时，有真肢感。
本发明设计的假手握力自适应控制装置，由下列几部分组成(1)置于手指机构上的滑觉传感器及其信号处理电路，用以将手指与物体间有滑移时测得的脉冲信号经U1，U2电平转换和逻辑门U3后变成滑移信号Vsl;
(2)置于手指机构上的触、压觉传感器及其信号处理电路，用以将手指与物体间的接触力信号经U5，U6信号放大后得到压力信号Vp，再经运算比较器U7后，得到触觉信号Vt;
(3)译码器U8和逻辑门U9，用以将来自人体的屈肌肌电信号Vg、伸肌肌电信号Vs和上述滑移信号Vsl，触觉信号Vt一起进行优先权识别，并产生控制信号S1和S2;
(4)反馈装置U10，用以将触觉信号Vt向人体反馈，反馈方式可以是电刺激、机械刺激、光反馈、声反馈中的任何一种;
(5)放大器U11，用以将上述第3步得到的控制信号S1和S2放大后，控制电机正反转;
(6)电机正反转开关U12和U13，接受控制信号S1和S2;
(7)正反转电机在U12和U13的控制下转动，并控制假手握力机构。
本发明所用的滑觉传感器，由小球、圆柱形滚子、支撑轴和探针等组成。传感器的壳体上开有Y形凹槽，小球置于凹槽中心，小球下面有三个圆柱形滚子支撑。壳体侧面开有三个长孔，其轴线成三角形。圆柱形滚子穿在支撑轴上，支撑轴的二端架在小孔上。探针共有四个，其中二个分别装在两滚子的径向外侧，另二个分别装在两滚子的轴向端面一侧;滚子的外圆柱面上，间隔分布有金属区和非金属区。
本发明所用的触、压觉传感器，由加载螺钉、锁紧及调节螺母、传力弯板、保护板、弹性梁和应变片等组成。加载螺钉与锁紧及调节螺母同轴安装在传力弯板的一端，传力弯板的另一端与弹性梁的一端相对固定，弹性梁的另一端与保护板的端部一起，用紧固螺钉固定在外壳上。保护板悬臂端置于弹性梁与传力弯板之间。
图1是本发明设计的控制装置的电路控制框图。
图2是自适应控制装置的电路图。
图3是本发明所用的触、压、觉传感器的结构示意图。
图4是本发明所用的滑觉传感器的结构示意图。
图5是图4的俯视图。
下面结合附图，详细介绍本发明的内容。假手握力自适应装置是为了实现假手的握力自适应控制和握物感觉的反馈，它涉及到控制模式和人工感觉传感器的研究。此控制装置是由一个到控制系统的反馈和一个到人体的反馈组成，在控制装置中触、压、滑觉传感器置于手部。用触觉传感器进行握物状态识别，用压觉传感器跟踪检测握物时握力的大小，用滑觉传感器检测指物间任何方向的滑移，实现握力的补偿，达到以临界握力握物。在控制系统中设计了检测指物间接触状态和力觉的触压觉传感器和检测指物间任何方向滑移的滑觉传感器。
当使用者想握取某物体时，大脑的运动意识通过神经系统传到肌肉，引起肌肉收缩。肌肉收缩产生肌肉的电活动，即肌电信号，拾取伸肌肌电和屈肌肌电信号，经处理后作为控制假手伸展和内握的控制信号，另外也将置于假手手部的滑觉传感器产生的信号作为假手内握的控制信号，通过对伸肌肌电信号(Vs)、屈肌肌电信号(Vg)、触觉信号(Vt)和滑觉信号(Vsl)进行优先级的限制和识别来对假手动作进行控制。在设计中，它们的优先级情况如下<
<p>当伸肌肌电为0而屈肌肌电为1时即使用者欲使假手作握取动作。此时，控制电机正转的开关接通电机经传动机构带动手指内握。当指物间有接触时，产生触觉信号，触觉信号经放大处理后作为系统反馈信号，控制反馈装置，使用者可通过识别反馈装置的状态(此时为1)来进行下一个动作即把物体拿起来。假若此时握力足够大，则指物间无滑移信号，即完成了握物动作;假若此时握力不足，则指物间将有滑移，通过置于手指的滑觉传感器检测到此滑移，此时滑移传感器的输出为一个脉冲信号，经过电平转变电路将其变为一个电平信号(输出为1或0)用此信号来控制电机继续正转，假手继续内握直至指物间无滑移。
为了实时检测和跟踪握物过程中握力的大小，用压力传感器来进行压力检测。
当伸肌肌电为1时，不论其它信号如何，假手都作外伸动作。
图2是自适应控制装置的电路图。图中，U0是滑觉传感器中的滚子，其圆柱表面沿母线方向有等间距交替排列的金属与非金属区域。U4是触压觉传感器电路。
图3是自适应控制装置中所用的触、压觉传感器的结构示意图。图中，1是传力弯板，2是加载螺钉，3是锁紧及调节螺母，4是保护板，5是弹性梁，6是外壳，7是应变片，8是紧固螺钉。在弹性梁5上贴有应变片7，当在加载螺钉2上作用力P时，通过检测弹性梁5的变形可以求出力P的大小，当P逐渐增大，至某一值Po时，加载螺钉2与保护板4接触，此时不论P再增大多少，弹性梁5不再变形，这样保护了弹性梁。另外，可以通过调节加载螺钉的位置来实现所检测力量程的变化。
当手指与被握物体接触后，这时的接触力由传感器检测到，这个力与一个可调的基准力进行比较，当接触力大于比较基准力时，比较器输出一个高电平信号，此信号即为指物间接触的信号，否则为低电平，表明指物尚未接触，假手继续内握。利用这个接触信号来控制反馈装置，可实现握物状态向人体的反馈。这样使用者不必靠视觉判断，指物间接触情况，减少了使用者的负担和心里压力，同时避免了由于视觉判断造成的失误。
图4和图5是滑觉传感器结构示意图。图4和图5中，10是小球，11是传感器上盖，12是传感器外壳，13是探针，14是圆柱形滚子，15是小孔，16是支撑轴，17是Y形凹槽。
小球10由三个滚子14支撑，小球稍高出于传感器上盖平面。三个滚子设计成短圆柱形，其中的二个滚子在外圆柱表面沿母线方向有等间距交替排列的金属与非金属区域。小球由三个滚子支承，滚子由壳体支承，其中两个滚子测面和端部分别与置于壳体的金属探针Z1(Z3)和Z2(Z4)接触。使用时，滑觉传感器置于假手指端。由于滑觉传感器中的小球略高于指面，所以当指物间有任何方向的滑移时，小球动，并带动滚子动，滚子转动可由探针(Z1，Z2)或(Z3，Z4)检测出，指物滑移量，即小球任何方向的转动量都可以从两个支撑滚子上检出，所以三个滚子中有一个滚子只起支承作用。将(Z1，Z2)，(Z3，Z4)接入图(2)所示的电路中，则当指物间有滑移时，由(Z1，Z2)，(Z3，Z4)检测得到的输出为脉冲信号，此脉冲信号经转换后成为电平信号，此信号作为手指是否内握的控制信号。
本控制装置向人体的反馈方法可以有电刺激和机械刺激方法，也可以用听觉和视觉刺激方法。电刺激方法依靠装于假手适当部位的压力变换器检测假手的动作状态，使之变换为人体皮肤能感觉的脉冲频率，刺激人体。机械刺激依靠假手上的压力传感器把获得的信号转换成频率，并用机械振子刺激人体，从而获得感觉。听觉和视觉刺激的方法是依靠假手上的压力或其它传感器，把获得的信号转换成人体可以靠听觉和视觉分辩的信号，刺激人体，实现感觉反馈。
权利要求
1.一种假手握力自适应控制装置，其特征在于该装置由下列各部分组成(1)置于手指机构上的滑觉传感器及其信号处理电路，用以将手指与物体间有滑移时测得的脉冲信号经U1，U2电平转换和逻辑门U3后变成滑移信号Vsl；(2)置于手指机构上的触、压觉传感器及其信号处理电路，用以将手指与物体间的接触力信号，经U5，U6信号放大后得到压力信号Vp，再经运算比较器U7后，得到触觉信号Vt；(3)译码器U8和逻辑门U9，用以将来自人体的屈肌肌电信号Vg，伸肌肌电信号Vs以及上述滑移信号Vsl、触觉信号Vt一起进行优先权识别，并产生控制信号S1和S2；(4)反馈装置U10，用以将触觉信号Vt向人体反馈，反馈方式是电刺激机械刺激、光反馈、声反馈中的任何一种；(5)放大器U11，用以将上述第3步得到的控制信号S1和S2放大后，控制电机正反转；(6)电机正反转开关U12和U13，接受控制信号S1和S2；(7)正反转电机在U12和U13的控制下转动，并控制假手握力机构。
2.如权利要求1所述的自适应控制装置，其特征在于其中所述的触、压觉传感器由加载螺钉、锁紧及调节螺母、传力弯板、保护板、弹性梁和应变片组成;加载螺钉与锁紧及调节螺母同轴安装在传力弯板的一端，传力弯板的另一端与弹性梁的一端相对固定，弹性梁的另一端与保护板的端部一起，用紧固螺钉固定在外壳上，保护板悬臂端置于弹性梁与传力弯板之间。
3.如权利要求1所述的自适应控制装置，其特征在于其中所述的滑觉传感器由小球、圆柱形滚子、支撑轴和探针组成，传感器的壳体上开有Y形凹槽，小球置于凹槽中心，小球下面有三个圆柱形滚子支撑;壳体侧面开有三个长孔，其轴线成三角形，圆柱形滚子穿在支撑轴上，支撑轴的二端架在小孔上;探针共有四个，其中二个分别装在两个滚子的径向外侧，另二个分别装在两滚子的轴向端面一侧;滚子的外圆柱面上，间隔分布有金属区和非金属区。
全文摘要
本发明涉及一种假手握力自适应控制装置，以实现假手的握力自适应控制和握物感觉的反馈。在控制装置中，用触觉传感器进行握物状态识别，用压觉传感器跟踪检测握物时握力的大小，用滑觉传感器检测指物间任何方向的滑移。再将来自人体的屈肌肌电信号、伸肌肌电信号、滑信号和触觉信号一起进行优先权识别并产生控制信号，该信号经放大后用以控制正、反转电机的正转和反转，并进而控制假手动作。本控制装置使截肢者使用肌电假手时有真肢感。
文档编号A61F2/54GK1108520SQ9411965
公开日1995年9月20日 申请日期1994年12月16日 优先权日1994年12月16日
发明者郝智秀, 申永胜 申请人:清华大学