专利名称：：仿人型肌电假手感觉反馈用电刺激器的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种多自由度肌电假手电气控制系统的感觉反馈电刺激装置-属于生物机电一体化(Biomechatronics)
技术领域：
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背景技术：
：假手的研究对于残疾人能够进行日常生活和更好的融入社会是非常重要的，近年来由工伤、车祸等造成的肢体残疾人士数量呈逐年上升趋势。第二次全国残疾人调査数据显示，从1987年到2006年的近二十年时间里，我国的残疾人数量由5164万人增加到8296万人，而肢体残疾人士从800多万增加到现在的2412万，已成为我国残疾人中比例最大的群体，占残疾人总数的29.07%。肢体残疾人士也需要很好地融入社会，因此世界各国都有针对性地进行了研究，这其中包括肢体残疾人用假手的研发与应用。假手应该具有与人手一样的外形和大小、重量轻、并具有抓取和灵巧操作的功能，从而在功能上代替人手。但是，目前市场上比较成熟的商业假手几乎都是单自由度，近年来有多指多关节的多自由度假手成为比较活跃的研究方向。在多自由度假手研究领域比较引人注意的是基于欠驱动原理的假手，这种设计减轻了手指的重量，增加了抓握稳定性。但是在假手佩戴者的训练及日常使用中发现，肢体残疾人士对假手不能很好地进行感觉。在一些装有触觉传感器的假手中，使用者对于感觉认识有所改进，但是由于存在时间延迟，往往发生物体掉落等情况，而且这种触觉是反馈给处理器，并非残疾人自己的神经系统。为了让佩戴者较好地使用假手，很有必要进行感觉反馈的研究及应用，使其真正产生"幻肢"的感觉。所谓感觉反馈，即经过训练，使假手的机械抓取力情况与系统设备对人体皮肤的刺激强度一一对应，这样佩戴者就能较好地感知类似真手一样的感觉，避免误动作或误出力，目前市场上还没有成熟的应用于假手的感觉反馈系统。普通的假手不具有像正常手一样进行力、温度、滑动等的感觉，在没有视觉的帮助下，甚至无法感知假手与身体的相对位置。国内外的研究机构在假手的研究中往往在手掌及手指上分布一些传感器，以此来进行感觉反馈，但是这种模式的技术复杂，可靠性差，而且也存在延迟，并且各研究机构的假手的反馈系统都是自行设计，彼此之间不能通用。
发明内容本发明为解决采用传感器作为感觉反馈的肌电假手存在的感觉反馈准确性较差、存在时间延迟、不能区分刺激强度和通用性较差的问题，提出了一种仿人型肌电假手感觉反馈用电刺激器。'本发明由电源模块电路和刺激驱动电路组成，电源模块电路的驱动电源输出端连接刺激驱动电路的驱动电源输入端，所述电源模块电路包括电感、整流二极管、第一配置电阻、第二配置电阻和电源模块主控芯片，电源模块主控芯片的电源输入端和电感的第一端都与7.2V电源连接，电感的第二端和整流二极管的阳极都与电源模块主控芯片的驱动电源输入端连接，第一配置电阻的第一端和第二配置电阻的第一端都与电源模块主控芯片的驱动电源输出端连接，第一配置电阻的第二端和整流二极管的阴极都与刺激驱动电路的驱动电源输入端连接；所述刺激驱动电路包括关断时间配置电路、检测电阻、频率信号发生电路和刺激驱动电路主控芯片，刺激驱动电路主控芯片的驱动电源输入端与电源模块电路的电源输出端连接，频率信号发生电路的信号输出端与刺激驱动电路主控芯片的PWM信号输入端连接，检测电阻的两端分别与剌激驱动电路主控芯片的检测电源输出端和电源地连接，关断时间配置电路的两端分别与刺激驱动电路主控芯片的关断时间控制端和电源地连接。有益效果本发明的电刺激器简单可靠，驱动电极启动后工作稳定，仿人形肌电假手的延时在50ms左右，使用者不会感觉到延迟，并且仿人形肌电假手佩戴者经过训练后，根据电刺激器电极对皮肤表面的刺激程度可区分出六档不同强度的刺激等级，可被用来对应假手抓取力大小的六个等级，以此来减少仿人形肌电假手的误动作，该六档强度还可以在软件程序里方便地进行改动，因而其针对不同敏感程度的假手佩戴者具有较好的通用性；此外电刺激电路的最高工作电压为低于36V的人体安全电压，电极放置在皮肤上之后，正常工作下流过人体皮肤的刺激电流为8mA，不会对人体造成伤害。图1是本发明的电路结构示意图；图2是本发明工作在电气控制系统中4的结构示意图。具体实施例方式具体实施方式一参见图1和图2，本实施方式的感觉反馈用电刺激器7由电源模块电路A和刺激驱动电路B组成，电源模块电路A的驱动电源输出端连接刺激驱动电路B的驱动电源输入端，电源模块电路A包括电感L5、整流二极管D1、第一配置电阻R59、第二配置电阻R63和电源模块主控芯片7-1，电源模块主控芯片7-1的电源输入端和电感L5的第一端都与7.2V电源连接，电感L5的第二端和整流二极管D1的阳极都与电源模块主控芯片7-1的驱动电源输入端连接，第一配置电阻R59的第一端和第二配置电阻R63的第一端都与电源模块主控芯片7-1的驱动电源输出端连接，第一配置电阻R59的第二端和整流二极管D1的阴极都与刺激驱动电路B的驱动电源输入端连接；剌激驱动电路B包括关断时间配置电路RC、检测电阻R64、频率信号发生电路PWM和刺激驱动电路主控芯片7-2，刺激驱动电路主控芯片7-2的驱动电源输入端与电源模块电路A的电源输出端连接，频率信号发生电路PWM的信号输出端与刺激驱动电路主控芯片7-2的PWM信号输入端连接，检测电阻R64的两端分别与刺激驱动电路主控芯片7-2的检测电源输出端和电源地连接，关断时间配置电路RC的两端分别与刺激驱动电路主控芯片7-2的关断时间控制端和电源地连接。本实施方式的电源模块主控芯片7-1可采用LM2577芯片，封装形式为5LeadTO-263,是国家半导体(NationalSemiconductor)出品的一款成熟的DC-DC稳压芯片；刺激驱动电路主控芯片7-2可采用LMD18245芯片，封装形式为15LeadTO-220，也是国家半导体的产品，是最大耐流为3A，最大耐压为55V的DMOS全桥驱动芯片，其内部集成了过流保护，使用比较安全可靠。电源模块电路A的7.2V入口电压由两节锂离子聚合物电池提供，可经过电容C31(0.1uF，电容C31的两端分别与7.2V电源和电源地连接)滤波后进入LM2577芯片的5脚，同时滤波后的电压经过电感L5连接到LM2577芯片的4脚(即LM2577芯片内部NPN型三极管的集电极端)，作为电源模块主控芯片7-1的开关电压；LM2577芯片的4脚再经由快恢复整流二极管D1(IN4934)和电解电容C32(1000uF/70V/1206),在第一配置电阻R59(100K)和第二配置电阻R63(4K)的作用下，配置出刺激驱动电路B所需的30~33V直流电压，计算公式为F。ut=1.23x(R59/R63+l)，另外还可以增加第三配置电阻R58(2.4K)和配置电容C30(4.7uF)，第三配置电阻R58的第一端与电源模块主控芯片7-l的第一配置电源端连接，第三配置电阻R58的第二端与配置电容C30的第一端连接，配置电容C30的第二端与电源模块主控芯片7-1的第二配置电源端连接，可参考LM2577芯片的数据手册，根据所需的输出电压自由配置；电源模块电路A输出的电压可经过铝电解电容C35(100uF/70V)来消除驱动电源线路上的浪涌电流，再经过陶瓷电容C33(luF)来消除驱动电源线路上的脉冲电压(铝电解电容C35的两端分别与电源模块电路A的电源输出端和电源地连接，陶瓷电容C33的两端分别与电源模块电路A的电源输出端和电源地连接)，然后连接到剌激驱动电路B的LMD18245芯片的9脚，作为刺激驱动电路B部分电路的驱动电压，LMD18245芯片的14展卩、4、6、7、8脚均接3.3V的数字电压，这个输入电压来自仿人形肌电假手电气控制系统的主DSP电路1，其中14脚是为LMD18245芯片提供参考电压，而4、6、7、8脚用来配置驱动桥上所能驱动负载的最大电流阈值(本实施方式中此四脚均拉高，以使在较低电压下就有较大的驱动电流输出)；LMD18245芯片的IO脚接地(不利用其紧急刹车功能，实际应用时可根据自己需要而设置)，LMD18245芯片的3脚处所接的关断时间配置电路RC(由RC电阻R65和RC电容C36组成)用来配置芯片内部H桥的关断时间，其计算公式为r。ff.。n=l.lRC，LMD18245芯片的13脚与地之间串接的检测电阻R64用来得到电流检测的电压信号，作为内部电流比较器的输入，并且与转换输出的模拟信号进行比较，再经过单稳态得到PWM(脉冲宽度调制)信号，对H桥电路输出电流进行斩波控制。本实施方式的感觉反馈用电刺激器设置在由主DSP电路1、蜂鸣器电路2、电源管理电路3、温度传感器4、EMG通道电路5、振动电机电路6、电刺激电路7、蓝牙电路8、从DSP电路9、多个力矩传感器10、CPLD电路11、多个电机驱动电路12和多个电动机M组成的仿人型肌电假手的电气控制系统中(参见图2)，当仿人型肌电假手开始工作后，肌电电极拾取假手佩戴者的肌电信号，信号经过处理后送入主DSP电路l进行分类与识别，根据库存的样本给出相应的假手动作指令，同时随着假手本体的不断动作，力和力矩传感器实时检测假手的抓取力大小并返回给主DSP电路1，主DSP电路1根据力大小选择电刺激强度，然后控制从DSP电路9去驱动电刺激电路7，电刺激电路7按指令给出相应的刺激强度，通过刺激电极把相应的电刺激感觉作用的人体皮肤上。本实施方式不通过传感器使假手本身具有感知功能，而是借助电刺激电路7把假手抓取力大小这一信息反馈给假手佩戴者的大脑，这样经过一段时间的训练，就能建立假手抓取力情况与电刺激强度的对应关系。利用电刺激器的方式把假手的抓取力大小转化为人体感觉舒适的由电流引起的皮肤剌激感，由于整个皮肤表面都具有感觉神经，所以不必直接与神经相连就能把感觉信息反馈给大脑，根据电剌激器电极对皮肤表面的剌激程度可区分出六档不同强度的剌激等级，可被用来对应假手抓取力大小的六个等级，以此来减少仿人形肌电假手的误动作，该电刺激器的六档强度设置是依靠电流刺激的频率和PWM波的占空比来实现的，详见下表-<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>权利要求1、仿人型肌电假手感觉反馈用电刺激器，其特征在于它由电源模块电路(A)和刺激驱动电路(B)组成，电源模块电路(A)的驱动电源输出端连接刺激驱动电路(B)的驱动电源输入端，所述电源模块电路(A)包括电感(L5)、整流二极管(D1)、第一配置电阻(R59)、第二配置电阻(R63)和电源模块主控芯片(7-1)，电源模块主控芯片(7-1)的电源输入端和电感(L5)的第一端都与7.2V电源连接，电感(L5)的第二端和整流二极管(D1)的阳极都与电源模块主控芯片(7-1)的驱动电源输入端连接，第一配置电阻(R59)的第一端和第二配置电阻(R63)的第一端都与电源模块主控芯片(7-1)的驱动电源输出端连接，第一配置电阻(R59)的第二端和整流二极管(D1)的阴极都与刺激驱动电路(B)的驱动电源输入端连接；所述刺激驱动电路(B)包括关断时间配置电路(RC)、检测电阻(R64)、频率信号发生电路(PWM)和刺激驱动电路主控芯片(7-2)，刺激驱动电路主控芯片(7-2)的驱动电源输入端与电源模块电路(A)的电源输出端连接，频率信号发生电路(PWM)的信号输出端与刺激驱动电路主控芯片(7-2)的PWM信号输入端连接，检测电阻(R64)的两端分别与刺激驱动电路主控芯片(7-2)的检测电源输出端和电源地连接，关断时间配置电路(RC)的两端分别与刺激驱动电路主控芯片(7-2)的关断时间控制端和电源地连接。2、根据权利要求1所述的仿人型肌电假手感觉反馈用电剌激器，其特征在于所述电源模块电路(A)还包括电容(C31)，电容(C31)的两端分别与7.2V电源和电源地连接。3、根据权利要求1所述的仿人型肌电假手感觉反馈用电剌激器，其特征在于所述电源模块电路(A)还包括第三配置电阻(R58)和配置电容(C30)，第三配置电阻(R58)的第一端与电源模块主控芯片(7-1)的第一配置电源端连接，第三配置电阻(R58)的第二端与配置电容(C30)的第一端连接，配置电容(C30)的第二端与电源模块主控芯片(7-l)的第二配置电源端连接。4、根据权利要求1所述的仿人型肌电假手感觉反馈用电刺激器，其特征在于所述刺激驱动电路(B)还包括铝电解电容(C35)和陶瓷电容(C33)，铝电解电容(C35)和陶瓷电容(C33)先并联然后的两端分别与电源模块电路(A)的电源输出端和电源地连接。全文摘要仿人型肌电假手感觉反馈用电刺激器，它是一种肌电假手电气控制系统的感觉反馈刺激装置，以解决传感器感觉反馈存在的准确性和通用性较差、时间延迟较长、不能区分刺激强度的问题。电源模块主控芯片的电源端和电感都与电源连接，电感和整流二极管都与电源模块主控芯片的驱动端连接，第一和第二配置电阻都与电源模块主控芯片的驱动端连接，第一配置电阻和整流二极管都与刺激驱动电路的驱动端连接；刺激驱动电路主控芯片的电源端与电源模块电路的电源端连接，频率信号发生电路的输出端与刺激驱动电路主控芯片的信号端连接，检测电阻与刺激驱动电路主控芯片的检测端和电源地连接，关断时间配置电路与刺激驱动电路主控芯片的关断控制端和电源地连接。文档编号A61F2/54GK101305939SQ20081006458公开日2008年11月19日申请日期2008年5月26日优先权日2008年5月26日发明者宏刘,力姜,楠李,汤奇荣申请人:哈尔滨工业大学