一种肌电信号控制的机械手运动机构的制作方法

本发明涉及一种肌电信号控制的机械手运动机构，可运用于欠驱动的终端机械执行机构中。

背景技术：

随着科学技术的发展，表面肌电系统在医疗领域已经得到了广泛的应用。肌电控制是通过皮肤表面的感应器采集肌肉神经的动作，将肌电信号处理后，经电机驱动传动装置运动，从而实现假肢动作。

为了提高信号处理的准确度，可以利用基于贝叶斯概率的图形化网络，即贝叶斯网络，该概率网络基于概率推理，在解决不定性和不完整性问题上具有独特的优势，已广泛应用在多个领域中。

此外，3d打印技术的发展，为零件成型提供了一种快捷、美观、低成本的途径，通过将3d打印零件和标准机械零件组合使用，既能实现需要的机械结构功能，又环保轻便。

技术实现要素：

本发明的目的是：通过将肌电信号转换为模拟动作，为肌电控制领域提供了一个便捷的研究平台。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种肌电信号控制的机械手运动机构，其特征在于，包括五根机械指每根机械指包括多个首尾铰接的指节，所有指节由至少一根钢丝绳牵引，五根机械指连接在模拟手掌的前端，模拟手掌的后端设有腕关节连接轴，腕关节连接轴带动模拟手掌上、下摆动，电动机二经由齿轮机构驱动腕关节连接轴转动，腕关节连接轴设于带电动机一的模拟手腕关节上，电动机一驱动模拟手掌内、外翻转，模拟手腕关节设于支座，五根钢丝绳穿过支座后绕在由电动机三驱动旋转的转动轴上。

优选地，在相邻两个所述指节之间连接有复位弹簧。

优选地，由三个独立的信号逻辑判断电路分别对手指、手腕的动作进行判断，三个独立的信号逻辑判断电路分别实现：

第一个信号逻辑判断电路，判断手指的动作，将手指握紧、半握、张开设定为a1、a2、a3，分别对应电动机三动作的三种模式，信号通过计算机程序驱动电路，实现五根手指的相应动作，若没有检测到动作，设定为a0；

第二个信号逻辑判断电路，判断手腕上下摆动的动作，将手腕自中间向上、自上方回复初始位置、自中间往下、自下方回复初始位置设定为b1、b2、b3、b4，分别对应电动机二动作的四种模式，信号通过计算机程序驱动电路，实现模拟手掌6的相应动作，若没有检测到动作，设定为b0；

第三个信号逻辑判断电路，判断手腕内外旋的动作，将手腕自中间往内旋、自内回复初始位置、自中间往外旋、自外回复初始位置设定为c1、c2、c3、c4，分别对应电动机一动作的四种模式，信号通过计算机程序驱动电路，实现模拟手腕关节8的相应动作，若没有检测到动作，设定为c0。

优选地，依据贝叶斯网络，设定同一类手指、手腕动作下不同动作接连发生的概率，即每一个独立信号逻辑判断电路控制切换电机模式的概率：

对于所述第一个信号逻辑判断电路，预设在a1发生的条件下，发生a1、a2、a3的概率分别为0、0.7、0.3；在a2发生的条件下，发生a1、a2、a3的概率分别为0.5、0、0.5；在a3发生的条件下，发生a1、a2、a3的概率分别为0.3、0.7、0；

对于所述第二个信号逻辑判断电路，预设在b1发生的条件下，发生b1、b2、b3、b4的概率分别为0、1、0、0；预设在b2发生的条件下，发生b1、b2、b3、b4的概率分别为0.5、0、0.5、0；预设在b3发生的条件下，发生b1、b2、b3、b4的概率分别为0、0、0、1；预设在b4发生的条件下，发生b1、b2、b3、b4的概率分别为0.5、0、0.5、0；

对于所述第三个信号逻辑判断电路，预设在c1发生的条件下，发生c1、c2、c3、c4的概率分别为0、1、0、0；预设在c2发生的条件下，发生c1、c2、c3、c4的概率分别为0.5、0、0.5、0；预设在c3发生的条件下，发生c1、c2、c3、c4的概率分别为0、0、0、1；预设在c4发生的条件下，发生c1、c2、c3、c4的概率分别为0.5、0、0.5、0。

本发明有益效果：提供一种肌电信号控制的机械手运动机构，通过计算机编程将采集的肌电信号转换为电路信号，再驱动机械传动机构，实现机械手三类动作，每类动作3至4种表现，两者之间存在多种组合动作；结合贝叶斯网络算法，预先设定先后动作之间的关联，提高信号识别的精度。该机构符合现有的机械结构功能，具有较好的外型设计，能通过3d快速成型打印技术降低成本，为肌电控制领域的研究搭建了一个方便的研究平台。

附图说明

图1为机械手整体造型、传动的示意图；

图2为机械手指的细节设计及其相关功能示意图；

图3为依据贝叶斯网络设定的动作关联程度。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

如图1所示，本发明提供的一种肌电信号控制的机械手运动机构，包括机械指1、2、3、4、5，机械指的指节内侧有供钢丝绳12穿过的圆孔。模拟手掌6上有五根机械指的连接孔。腕关节连接轴7与模拟手掌6固定连接，腕关节连接轴7设于模拟手腕关节8上。模拟手腕关节8嵌入支座9的圆形孔内。机构的传动部分有传动齿轮10，安装在腕关节连接轴7上，与电机传动齿轮11啮合。机构的动力部分来自三个独立运转的电动机，电动机一m1、电动机二m2、电动机三m3。

本发明涉及的机构还包括多个指关节连接螺栓。指关节连接螺栓用来连接五指的各个指节，指节之间通过复位弹簧13相连，指节内侧圆孔是指图2中的指节结构的圆孔设计。钢丝绳12通过圆孔，汇集到电动机三m3的外伸轴。传动齿轮10安装在腕关节连接轴7的左端，与电动机二m2外伸轴上的电机传动齿轮11相啮合。模拟手腕关节8上有连结轴的孔，与电动机一m1的外伸轴通过键连接。本发明还包括单片机控制系统。

机械手动作部分是实现运动控制的载体，包括机械指1、2、3、4、5，模拟机械手掌6，腕关节连接轴7，模拟机械手腕8。五指关节在连接处安装有复位弹簧13，实现握紧后的复位。电动机二m2的正反转及步进运动带动齿轮10运动，从而带动所述模拟手掌6动作；电动机一m1的外伸轴与模拟手腕关节87连接，电动机一m1的正反转及步进运动通过连接轴带动所述模拟手腕关节实现内外旋的动作。

整体机械结构通过连接电脑输出信号进行控制。肌电信号采集后，三个独立的信号逻辑判断电路分别对手指、手腕的动作进行判断，上述三个独立的信号逻辑判断电路分别实现：

第一个信号逻辑判断电路，判断手指的动作，将手指握紧、半握、张开设定为a1、a2、a3，分别对应电动机三m3动作的三种模式，信号通过计算机程序驱动电路，实现五根手指的相应动作，若没有检测到动作，设定为a0；

第二个信号逻辑判断电路，判断手腕上下摆动的动作，将手腕自中间向上、自上方回复初始位置、自中间往下、自下方回复初始位置设定为b1、b2、b3、b4，分别对应电动机二m2动作的四种模式，信号通过计算机程序驱动电路，实现模拟手掌6的相应动作，若没有检测到动作，设定为b0；

第三个信号逻辑判断电路，判断手腕内外旋的动作，将手腕自中间往内旋、自内回复初始位置、自中间往外旋、自外回复初始位置设定为c1、c2、c3、c4，分别对应电动机一m1动作的四种模式，信号通过计算机程序驱动电路，实现模拟手腕关节的相应动作，若没有检测到动作，设定为c0。

依据贝叶斯网络，设定同一类动作下不同动作接连发生的概率，即每一个独立信号逻辑判断电路控制切换电机模式的概率，结合图3：

对于第一个信号逻辑判断电路，预设在a1发生的条件下，发生a1、a2、a3的概率分别为0、0.7、0.3；在a2发生的条件下，发生a1、a2、a3的概率分别为0.5、0、0.5；在a3发生的条件下，发生a1、a2、a3的概率分别为0.3、0.7、0；

对于第二个信号逻辑判断电路，预设在b1发生的条件下，发生b1、b2、b3、b4的概率分别为0、1、0、0；预设在b2发生的条件下，发生b1、b2、b3、b4的概率分别为0.5、0、0.5、0；预设在b3发生的条件下，发生b1、b2、b3、b4的概率分别为0、0、0、1；预设在b4发生的条件下，发生b1、b2、b3、b4的概率分别为0.5、0、0.5、0；

对于第三个信号逻辑判断电路，预设在c1发生的条件下，发生c1、c2、c3、c4的概率分别为0、1、0、0；预设在c2发生的条件下，发生c1、c2、c3、c4的概率分别为0.5、0、0.5、0；预设在c3发生的条件下，发生c1、c2、c3、c4的概率分别为0、0、0、1；预设在c4发生的条件下，发生c1、c2、c3、c4的概率分别为0.5、0、0.5、0。

若采集的肌电信号为a2-b0-c3，当接入驱动端后，通过第一个信号逻辑判断电路，驱动电动机三m3，机械手指通过钢丝绳牵引，达到预设的a2形态，即半握，形成模仿人手自然弯曲的形状；若牵引力消失，则弯曲的五指可在复位弹簧的作用下还原伸展状态；

通过第二个信号逻辑判断电路，由于未采集到预设动作，电机二m2不作相应，保持待机状态；

通过第三个信号逻辑判断电路，驱动电动机一m1，电机轴顺时针步进，带动模拟手腕关机外旋，达到预设的c3形态，即手腕外旋。