智能假手系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种智能假手系统，包括假手本体、驱动电机、压电驻极体、控制终端以及信号交互模块。假手本体包括若干由所述驱动电机控制的手指指节；控制终端根据第一肌电信号控制假手本体抓取；压电驻极体采集触觉信号及滑觉信号，控制终端根据该信号控制假手本体是否继续抓紧，信号交互模块向残肢反馈刺激；信号交互模块还获取第三肌电信号，控制终端根据第三肌电信号控制假手本体进一步抓紧；控制终端还根据第二肌电信号控制假手本体张开。本发明克服了传统假手无法感受物体相对于假手的运动状态或运动趋势、不能控制并调节抓握力度的缺点，可靠性和安全性较高，且成本低廉，易于推广。
【专利说明】智能假手系统
【【技术领域】】
[0001]本发明涉及康复医疗器械领域，尤其涉及一种智能假手系统。
【【背景技术】】
[0002]长期以来，疾病、工伤、自然灾害、交通事故等各种意外伤害等造成了成千上万人的肢体残疾，为这些肢体残疾人士安装假肢是恢复其肢体功能的主要手段。因此，研究和开发假肢及假肢控制系统无论对帮助肢体残疾人士自理、提高其生活品质和增加就业机会还是降低国家、社会的投入成本、促进社会和谐均有极大意义。
[0003]假肢控制技术在几十年的发展过程中得到了较大进步，假肢的实用性也得到了一定提高。但人们对假肢的研究还主要集中在探索合适的假肢控制信息源、实现假肢的灵活控制这方面，而在假肢的智能化提升等方面的进展并不多，也就是说目前实用化的商业假肢并不具备一定的感知和反馈功能。以假手为例，目前绝大多数人工假手并不能感知外界刺激并自动做出反应，而必须以截肢者本人的视觉作为反馈、通过视觉来判断假手执行任务的状态，而不能像真实的人手那样在没有视觉反馈的情况下进行正常作业，从而容易引起“过抓紧”而破坏易碎易形变物体，或引起“欠抓紧”导致物体从手中滑落，其可靠性和安全性有待进一步提闻。
[0004]现有技术中的假手触觉传感以及滑觉传感技术主要是压阻式和压电式触滑觉传感技术。压阻式触滑觉传感器的体积较大，信号采集电路复杂，不易集成，并且压敏电阻漏电流不稳定，且易老化；压电式触滑觉传感技术常用的压电材料为PVDF压电材料，其灵敏度较低，同时该材料的制备工艺复杂、成本高昂，且基本上依靠进口。
【
【发明内容】
】
[0005]本发明旨在解决上述现 有技术中存在的问题，提出一种智能假手系统。
[0006]所述智能假手系统包括假手本体、驱动电机、压电驻极体、控制终端以及信号交互模块。其中，所述假手本体包括若干由所述驱动电机控制的手指指节，所述压电驻极体设于所述手指指节表面；所述信号交互模块与佩戴所述智能假手系统的残肢相连接，所述信号交互模块获取包含抓取动作信息的第一肌电信号，所述控制终端根据所述第一肌电信号控制所述驱动电机在第一方向上转动，从而控制所述假手本体抓取；所述压电驻极体采集触觉信号，所述控制终端根据所述触觉信号屏蔽所述第一肌电信号，所述信号交互模块根据所述触觉信号向所述残肢反馈刺激；所述压电驻极体同时采集滑觉信号，所述控制终端获取所述滑觉信号的方差值，当所述方差值大于预设阈值时，所述控制终端控制所述假手本体继续抓取，直至所述方差值小于所述预设阈值，所述信号交互模块根据所述滑觉信号向所述残肢反馈刺激，所述控制终端终止屏蔽肌电信号。信号交互模块还获取第二肌电信号，控制终端根据第二肌电信号控制假手本体张开，同时信号交互模块向残肢反馈刺激告知系统使用者假手张开的状态。信号交互模块还获取第三肌电信号，控制终端根据第三肌电信号控制假手本体进一步抓紧，同时信号交互模块向残肢反馈刺激告知系统使用者假手进一步抓紧的状态。
[0007]本发明提出的智能假手系统可以克服传统假手无法感受物体相对于假手的运动状态或运动趋势、不能控制并调节抓握力度的缺点，利用集成于假手指节内的压电驻极体，检测并识别“接触”和“滑动”两种信号，通过控制终端自适应地调节抓握力度，从而提高用户使用假手的可靠性和安全性。同时，本发明中采用的压电驻极体具有轻、薄、软的优点，其灵敏度可达600PC/N;此外，压电驻极体构成材料来源广泛、成本低廉，易于推广。
【【专利附图】
【附图说明】】
[0008]图1为本发明一实施例的智能假手系统结构图。
[0009]图2为本发明一实施例的智能假手系统抓取动作原理流程图。
[0010]图3为本发明一实施例的智能假手系统松开动作原理流程图。
【【具体实施方式】】
[0011]下面结合具体实施例及附图对本发明作进一步详细说明。下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明的技术方案，而不应当理解为对本发明的限制。
[0012]在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指
示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。
[0013]本发明提供一种智能假手系统，所述智能假手系统包括本体、驱动电机、压电驻极体、控制终端以及信号交互模块。
[0014]如图1所示，以失去小臂的残疾人士佩戴所述智能假手系统为例，佩戴后信号交互模块6与佩戴所述智能假手系统的残肢7相连接，信号交互模块6 —方面用于接收来自残肢7的肌电信号，另一方面用于向残肢7反馈来自假手本体I获取的外界信号。
[0015]假手本体I包括若干由所述驱动电机控制的手指指节，压电驻极体2设于所述手指指节表面。其中，压电驻极体2的构成材料可以为聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯等聚合物中的一种。压电驻极体2为一层包含有大量蜂窝状孔洞的单层封闭薄膜，在孔洞的上下表面分别沉积有大量的正负电荷，在多孔膜上下外表面分别有一层金属电极，构成传感结构。压电驻极体2还可以为通过并联或串联方式叠加形成的多层多孔膜，以进一步增强压电灵敏度。优选地，压电驻极体2的表面设有用于防电磁干扰的屏蔽层；压电驻极体2表面还可以进一步设置保护层，用于防磨损、防尘、防水。压电驻极体2具有轻、薄、软的特点，同时其压电响应大，具有较高线性度，在工作温度范围内受温度变化的影响小。
[0016]压电驻极体2设置于所述手指指节内表面，用于在所述假手本体抓握物体时检测假手和被抓握物体之间的触觉信号以及滑觉信号。压电驻极体2的尺寸、外形与手指指节的尺寸相匹配。在实际使用中，可以在某一手指的某一指节布置压电驻极体2，也可以在多个手指的多个指节布置压电驻极体2以构成阵列，从而提高信号采集的精确。图1所示为每个手指的每个指节均布置压电驻极体2的情形。[0017]控制终端4 一方面与压电驻极体2通过导线3电连接，另一方面与所述驱动电机(图未示)电连接。其中，所述驱动电机与所述指节传动连接，所述驱动电机用于控制所述指节的抓取、松开等动作。控制终端4用于对压电驻极体2获取的触觉信号或滑觉信号进行处理，并对所述驱动电机进行相应的驱动控制。此外，控制终端4还通过导线5与信号交互模块6电连接，控制终端4 一方面用于向信号交互模块6传递所述触觉信号或滑觉信号，另一方面用于获取并处理来自残肢7的肌电信号。
[0018]信号交互模块6包括振动装置或加热装置。信号交互模块6可以将所述触觉信号或滑觉信号转换为相应等级的振动信号或温度信号，并向残肢7反馈。优选地，所述振动信号可以是以振动频率为刺激源的振动信号，或以振动幅度为刺激源的振动信号。
[0019]上文对本发明提出的智能假手系统的各组成部分及其连接关系作了介绍，下面将对所述智能假手系统的工作原理作进一步详细描述。
[0020]本发明提出的智能假手系统可以实现对物体的抓取以及松开动作。当所述智能假手系统佩戴者欲抓取某一物体时，首先在其佩戴所述智能假手系统的残肢7处会产生包含抓取动作信息的第一肌电信号，控制终端4根据信号交互模块6获取的所述第一肌电信号控制所述驱动电机在第一方向上转动，从而控制所述假手本体抓取物体。其中，所述第一方向为用于控制所述假手本体抓取物体的所述驱动电机转动方向。
[0021]在所述指节在抓取物体的过程中，物体表面与压电驻极体2之间会产生相互作用力，即产生所谓的“触觉”。压电 驻极体2的传感结构获取该触觉信号，控制终端4根据所述触觉信号屏蔽所述第一肌电 信号，至此所述指节的动作发生不再受肌电信号的控制，而根据所述指节与物体之间的实时滑动关系进一步自适应地调整假手本体的动作。同时，控制终端4获取所述触觉信号的均值，由信号交互模块6将所述触觉信号的均值转换为同等级的振动信号或温度信号，并向残肢7反馈，从而以感知信号的方式“告知”智能假手系统佩戴者目前处于“抓取”状态。
[0022]与此同时压电驻极体2还实时地采集所述指节与物体之间的滑觉信号，所述滑觉信号反映了所述指节与物体之间的相对滑动状态。控制终端4对实时获取的所述滑觉信号取方差值，当所述方差值大于某一预设阈值时，控制终端4控制所述驱动电机在第一方向上继续转动，从而实现假手本体I的继续抓取，直至所述方差值小于所述预设阈值，表明所述假手本体I处于“握紧”状态，控制终端4终止屏蔽肌电信号，后续所述假手本体I的动作可以重新由智能假手系统佩戴者发出肌电信号加以控制。同时，信号交互模块6将所述滑觉信号的方差值转换为同等级的振动信号或温度信号，并向残肢7反馈，从而“告知”智能假手系统佩戴者目前处于“握紧”状态。其中，所述阈值大小根据实际情况预先设定，如结合感应材料的灵敏度、材料表面保护层的性质等因素预先设置所述阈值大小。此外，所述均值和方差值用于分别判断接触状态以及滑动状态，同时均值还能够反映接触时抓握力度的大小。
[0023]在所述假手本体I处于“握紧”状态时，所述智能假手系统佩戴者可以进一步发出包含抓取动作信息的握紧肌电信号或包含释放动作信息的松开肌电信号，从而实现所述假手本体I的“主观过抓紧”或“松开”动作。
[0024]当所述智能假手系统佩戴者欲实现“主观过抓紧”假手本体I时，首先在其佩戴所述智能假手系统的残肢7处会产生包含抓紧动作信息的第三肌电信号，控制终端4根据所述第三肌电信号控制所述驱动电机在第一方向上转动，从而控制假手本体I继续抓紧。同时，信号交互模块6实时将控制终端4获取的所述触觉信号均值转换为同等级的振动信号或温度信号，并向残肢7反馈，从而以感知信号的方式“告知”智能假手系统佩戴者目前处于“过抓紧”状态。佩戴者根据反馈信号的强度等级，感受过抓紧的力度大小，并决定继续过抓紧还是停止过抓紧。其中，所述第三肌电信号，是在已经抓紧的条件下，再次产生的“抓紧”肌电信号，不同于于第一肌电信号，第一肌电信号是在未抓紧的条件下产生的“抓紧”肌电信号。当所述智能假手系统佩戴者欲松开假手本体I时，首先在其佩戴所述智能假手系统的残肢I处会产生包含松开动作信息的第二肌电信号，控制终端4根据所述第二肌电信号控制所述驱动电机在第二方向上转动，从而控制假手本体I松开。同时，信号交互模块6实时将控制终端4获取的所述触觉信号均值转换为同等级的振动信号或温度信号，并向残肢7反馈，从而以感知信号的方式“告知”智能假手系统佩戴者目前处于“松开”状态，系统佩戴者根据实际需要决定继续松开还是停止松开。其中，所述第二方向为用于控制假手本体I松开物体的所述驱动电机转动方向，所述第二方向与所述第一方向为相互反向的转动方向。
[0025] 优选地，控制终端4包括存储单元、滤波单元、放大单元以及模数转换单元。其中，所述存储单元用于存储所述预设阈值；所述滤波单元用于滤除所述触觉信号以及所述滑觉信号中的噪声信号，得到去噪信号；所述放大单元用于对所述去噪信号进行放大，得到放大信号；所述模数转换单元根据所述放大信号获得所述触觉信号的均值以及滑觉信号的方差值。
[0026]本发明提出的智能假手系统可以克服传统假手无法感受物体相对于假手的运动状态或运动趋势、不能控制并调节抓握力度的缺点，利用集成于假手指节内的压电驻极体，检测并识别“接触”和“滑动”两种信号，通过控制终端自适应地调节抓握力度，既防止“过抓紧”而损坏物体，又防止“欠抓紧”而使得物体滑落，从而提高用户使用假手的可靠性和安全性。同时，本发明又能在系统使用者的主观要求下，实现“主观过抓紧”。此外，本发明中采用的压电驻极体具有轻、薄、软的优点，其灵敏度可达eoopc/N;此外，压电驻极体构成材料来源广泛、成本低廉，易于推广。
[0027]虽然本发明参照当前的较佳实施方式进行了描述，但本领域的技术人员应能理解，上述较佳实施方式仅用来解释和说明本发明的技术方案，而并非用来限定本发明的保护范围，任何在本发明的精神和原则范围之内，所做的任何修饰、等效替换、变形、改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。
【权利要求】
1.一种智能假手系统，包括假手本体以及驱动电机，其特征在于，还包括:压电驻极体、控制终端以及信号交互模块，其中， 所述假手本体包括若干由所述驱动电机控制的手指指节，所述压电驻极体设于所述手指指节表面； 所述信号交互模块与佩戴所述智能假手系统的残肢相连接，所述信号交互模块获取包含抓取动作信息的第一肌电信号，所述控制终端根据所述第一肌电信号控制所述驱动电机在第一方向上转动，从而控制所述假手本体抓取； 所述压电驻极体采集触觉信号，所述控制终端根据所述触觉信号屏蔽所述第一肌电信号，所述信号交互模块根据所述触觉信号向所述残肢反馈刺激； 所述压电驻极体同时采集滑觉信号，所述控制终端获取所述滑觉信号的方差值，当所述方差值大于预设阈值时，所述控制终端控制所述假手本体继续抓取，直至所述方差值小于所述预设阈值，所述信号交互模块根据所述滑觉信号向所述残肢反馈刺激，所述控制终端终止屏蔽肌电信号。
2.根据权利要求1所述的智能假手系统，其特征在于，所述信号交互模块还获取包含松开动作信息的第二肌电信号，所述控制终端根据所述第二肌电信号控制所述驱动电机在第二方向上转动，从而控制所述假手本体松开，所述信号交互模块根据所述触觉信号向所述残肢实时反馈刺激。
3.根据权利要求1所述的智能假手系统，其特征在于，所述控制终端终止屏蔽肌电信号后，所述信号交互模块获取包含抓取动作信息的第三肌电信号，所述控制终端根据所述第三肌电信号控制所述驱动电机在第一方向上继续转动，从而控制所述假手本体进一步抓紧，所述信号交互模块向所述残肢反馈刺激信号，供使用者决定继续或停止抓紧。
4.根据权利要求1、2或3所述的智能假手系统，其特征在于，所述信号交互模块包括振动装置或加热装置，所述控制终端获取所述触觉信号的均值以及所述滑觉信号的方差值，所述信号交互模块将所述均值以及方差值转换为同等级的振动信号或温度信号，并向所述残肢反馈。
5.根据权利要求4所述的智能假手系统，其特征在于，所述控制终端包括存储单元、滤波单元、放大单元以及模数转换单元，其中， 所述存储单元存储所述预设阈值； 所述滤波单元滤除所述触觉信号以及所述滑觉信号中的噪声信号，得到去噪信号； 所述放大单元对所述去噪信号进行放大，得到放大信号； 所述模数转换单元根据所述放大信号获得所述均值以及方差值。
6.根据权利要求4所述的智能假手系统，其特征在于，所述压电驻极体的构成材料包括聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯中的一种。
7.根据权利要求4所述的智能假手系统，其特征在于，所述振动信号为以振动频率为刺激源的振动信号或以振动幅度为刺激源的振动信号。
8.根据权利要求6所述的智能假手系统，其特征在于，所述压电驻极体为包含蜂窝状孔洞的单层封闭薄膜、或通过并联或串联方式叠加形成的多层多孔膜。
9.根据权 利要求6所述的智能假手系统，其特征在于，所述压电驻极体的表面设有用于防电磁干扰的屏蔽层。
【文档编号】A61F2/56GK103519924SQ201310498775
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月22日 优先权日:2013年10月22日
【发明者】方鹏, 匡星, 田岚, 李光林 申请人:深圳先进技术研究院