[發明專利]基于CyberGlove數據手套的嵌入式欠驅動假肢手控制系統

有效

• 申請號: 201510581208.1
• 申請日: 2015-09-14
• 公開（公告）號: CN105127973A
• 公開（公告）日: 2015-12-09
• 發明（設計）人: 熊蔡華;閆士杰;賀磊;黃耀斌;陳文銳;孫柏楊
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: B25J3/00
• 分類號: B25J3/00;B25J9/18;A61F2/70
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 梁鵬

技術領域

本發明屬于仿生機器人相關技術領域，更具體地，涉及一種基于CyberGlove數據手套的嵌入式欠驅動假肢手控制系統。

背景技術

假肢手以其運動擬人和結構緊湊等優點獲得了廣闊的發展前景。特別是作為近期熱門研究的欠驅動假肢手，由于具備輕便的外形和控制簡單的特性，因而在醫療假肢手、現代化工業生產、高危復雜作業等多個領域獲得了廣泛應用。例如，國內哈爾濱工業大學研發了一款基于藍牙無線通信的多自由度假手語音控制裝置，其可以通過語音控制假手進行相應的運動，并實現嵌入式的多自由度肌電假肢控制功能。

然而，進一步的研究表明，上述現有的假手仍然存在以下的缺陷或不足：首先，它所預設的運動模式數量往往有限，導致無法完全靈活和高精度地執行各類復雜操作，也很難復現人手的動態協調規律；其次，目前用于欠驅動假肢手的控制方案一般采用多軸伺服控制系統，其雖能滿足一般的運動控制要求，但其使用的計算機插接卡接口體積過于龐大，硬件構造復雜，在實踐應用時導致了多種的不便，并直接影響到假肢手的應用靈活性。因此，在本領域亟需對欠驅動假肢手的運動控制方案作出進一步的設計，以便更好地滿足日益增長的實際工況需求。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種基于CyberGlove數據手套的嵌入式欠驅動假肢手控制系統，其中通過對其多個關鍵組件的具體電路構造以及控制方式進行設計，相應能夠更為結構緊湊、便于操控地實現對欠驅動靈活手的運動控制，克服其局限于事先設定好的少數控制模式和硬件電路過于龐大等缺陷，同時可顯著提高在各類實際應用時的動作精確性和適用性。

為實現上述目的，按照本發明，提供了一種基于CyberGlove數據手套的嵌入式欠驅動假肢手控制系統，其特征在于，該嵌入式欠驅動假肢手控制系統包括CyberGlove數據手套、上位機、假肢手電機組件、指尖力傳感器組件和集成控制單元，其中：

所述CyberGlove數據手套為使用者所佩戴，并基于實際工況需求實時輸出包括關節角和關節運動角速度在內的各類人手運動實時數據，然后通過無線傳輸的方式發送給所述上位機；

所述上位機接收來自所述CyberGlove數據手套的實時數據，并提供包括關于抓取模式、手指抓取/松開動作和電機位置/速度調整在內的各類指令，然后通過無線傳輸的方式繼續發送給所述集成控制單元；

所述假肢手電機組件由四個直流有刷電機共同組成，它們集成安裝在作為控制對象的欠驅動假肢手的手掌內部，分別為用于實現拇指翻轉運動的第一電機、用于實現拇指彎曲運動的第二電機、用于同時實現食指和中指彎曲運動的第三電機，以及用于同時實現無名指和小指彎曲運動的第四電機；所述指尖力傳感器組件由五個壓力傳感器共同組成，它們各自集成安裝在欠驅動假肢手的五個手指末端，并分別用于對各個手指運動過程中垂直于指尖面的應力數據執行實時檢測；

所述集成控制單元呈集成電路板的形式嵌入安裝在欠驅動假肢手的內部，并包括無線收發模塊、電機速度檢測模塊、電機電流檢測模塊、指尖力檢測模塊、主控制器和功率放大模塊，其中該無線收發模塊接收來自所述上位機的實時信息和各類指令，并將其輸送至所述主控制器；該電機速度檢測模塊和電機電流檢測模塊分別對所述假肢手電機組件中各個直流有刷電機的速度數據和電流數據執行實時檢測，然后各自反饋至所述主控制器；該指尖力檢測模塊將所述指尖力傳感器組件實時檢測的應力數據執行信號放大，并同樣反饋送至所述主控制器；該主控制器按照上述接收到的數據和指令，相應形成多路PWM波輸出至所述功率放大模塊；該功率放大模塊則將對這多路PWM波分別執行功率放大，然后為所述假肢手電機組件中的各個直流有刷電機分別提供相應的電機驅動電流，以此方式使得欠驅動假肢手實時、精確地跟隨使用者的各類人手運動。

作為進一步優選地，所述電機速度檢測模塊的數量優選為2個，并且它們各自為將差分信號轉換為單端信號的差分接收器；所述電機電流檢測模塊的數量優選為4個，并且它們各自包括用于將共模差分電壓信號方法20倍的電流檢測放大器和阻值為0.15歐姆的檢流電阻。

作為進一步優選地，所述指尖力傳感器組件的五個壓力傳感器優選為橋式應變片，所述指尖力檢測模塊相應優選為用于橋式應變片的共模差分電壓信號執行放大的單元。

作為進一步優選地，所述主控制器優選采用單塊的DSP控制器；所述功率放大模塊的數量為2個，它們各自用于將所述主控制器輸出的PWM波執行功率放大至12伏，并提供至少單路1.4安的電機驅動電流。