基于CyberGlove數(shù)據(jù)手套的嵌入式欠驅(qū)動(dòng)假肢手控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于仿生機(jī)器人相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于CyberGl0ve數(shù)據(jù)手套的嵌入式欠驅(qū)動(dòng)假肢手控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]假肢手以其運(yùn)動(dòng)擬人和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)獲得了廣闊的發(fā)展前景。特別是作為近期熱門研究的欠驅(qū)動(dòng)假肢手，由于具備輕便的外形和控制簡單的特性，因而在醫(yī)療假肢手、現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)、高危復(fù)雜作業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。例如，國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)研發(fā)了一款基于藍(lán)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(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)嵌入式的多自由度肌電假肢控制功能。
[0003]然而，進(jìn)一步的研究表明，上述現(xiàn)有的假手仍然存在以下的缺陷或不足:首先，它所預(yù)設(shè)的運(yùn)動(dòng)模式數(shù)量往往有限，導(dǎo)致無法完全靈活和高精度地執(zhí)行各類復(fù)雜操作，也很難復(fù)現(xiàn)人手的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)規(guī)律；其次，目前用于欠驅(qū)動(dòng)假肢手的控制方案一般采用多軸伺服控制系統(tǒng)，其雖能滿足一般的運(yùn)動(dòng)控制要求，但其使用的計(jì)算機(jī)插接卡接口體積過于龐大，硬件構(gòu)造復(fù)雜，在實(shí)踐應(yīng)用時(shí)導(dǎo)致了多種的不便，并直接影響到假肢手的應(yīng)用靈活性。因此，在本領(lǐng)域亟需對欠驅(qū)動(dòng)假肢手的運(yùn)動(dòng)控制方案作出進(jìn)一步的設(shè)計(jì)，以便更好地滿足日益增長的實(shí)際工況需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種基于CyberGlove數(shù)據(jù)手套的嵌入式欠驅(qū)動(dòng)假肢手控制系統(tǒng)，其中通過對其多個(gè)關(guān)鍵組件的具體電路構(gòu)造以及控制方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，相應(yīng)能夠更為結(jié)構(gòu)緊湊、便于操控地實(shí)現(xiàn)對欠驅(qū)動(dòng)靈活手的運(yùn)動(dòng)控制，克服其局限于事先設(shè)定好的少數(shù)控制模式和硬件電路過于龐大等缺陷，同時(shí)可顯著提高在各類實(shí)際應(yīng)用時(shí)的動(dòng)作精確性和適用性。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明，提供了一種基于CyberGlove數(shù)據(jù)手套的嵌入式欠驅(qū)動(dòng)假肢手控制系統(tǒng)，其特征在于，該嵌入式欠驅(qū)動(dòng)假肢手控制系統(tǒng)包括CyberGlove數(shù)據(jù)手套、上位機(jī)、假肢手電機(jī)組件、指尖力傳感器組件和集成控制單元，其中:
[0006]所述CyberGlove數(shù)據(jù)手套為使用者所佩戴，并基于實(shí)際工況需求實(shí)時(shí)輸出包括關(guān)節(jié)角和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角速度在內(nèi)的各類人手運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，然后通過無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送給所述上位機(jī)；
[0007]所述上位機(jī)接收來自所述CyberGlove數(shù)據(jù)手套的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并提供包括關(guān)于抓取模式、手指抓取/松開動(dòng)作和電機(jī)位置/速度調(diào)整在內(nèi)的各類指令，然后通過無線傳輸?shù)姆绞嚼^續(xù)發(fā)送給所述集成控制單元；
[0008]所述假肢手電機(jī)組件由四個(gè)直流有刷電機(jī)共同組成，它們集成安裝在作為控制對象的欠驅(qū)動(dòng)假肢手的手掌內(nèi)部，分別為用于實(shí)現(xiàn)拇指翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的第一電機(jī)、用于實(shí)現(xiàn)拇指彎曲運(yùn)動(dòng)的第二電機(jī)、用于同時(shí)實(shí)現(xiàn)食指和中指彎曲運(yùn)動(dòng)的第三電機(jī)，以及用于同時(shí)實(shí)現(xiàn)無名指和小指彎曲運(yùn)動(dòng)的第四電機(jī)；所述指尖力傳感器組件由五個(gè)壓力傳感器共同組成，它們各自集成安裝在欠驅(qū)動(dòng)假肢手的五個(gè)手指末端，并分別用于對各個(gè)手指運(yùn)動(dòng)過程中垂直于指尖面的應(yīng)力數(shù)據(jù)執(zhí)行實(shí)時(shí)檢測；
[0009]所述集成控制單元呈集成電路板的形式嵌入安裝在欠驅(qū)動(dòng)假肢手的內(nèi)部，并包括無線收發(fā)模塊、電機(jī)速度檢測模塊、電機(jī)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(fā)模塊接收來自所述上位機(jī)的實(shí)時(shí)信息和各類指令，并將其輸送至所述主控制器；該電機(jī)速度檢測模塊和電機(jī)電流檢測模塊分別對所述假肢手電機(jī)組件中各個(gè)直流有刷電機(jī)的速度數(shù)據(jù)和電流數(shù)據(jù)執(zhí)行實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)檢測的應(yīng)力數(shù)據(jù)執(zhí)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(shù)據(jù)和指令，相應(yīng)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(zhí)行功率放大，然后為所述假肢手電機(jī)組件中的各個(gè)直流有刷電機(jī)分別提供相應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流，以此方式使得欠驅(qū)動(dòng)假肢手實(shí)時(shí)、精確地跟隨使用者的各類人手運(yùn)動(dòng)。
[0010]作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述電機(jī)速度檢測模塊的數(shù)量優(yōu)選為2個(gè)，并且它們各自為將差分信號轉(zhuǎn)換為單端信號的差分接收器；所述電機(jī)電流檢測模塊的數(shù)量優(yōu)選為4個(gè)，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。
[0011]作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述指尖力傳感器組件的五個(gè)壓力傳感器優(yōu)選為橋式應(yīng)變片，所述指尖力檢測模塊相應(yīng)優(yōu)選為用于橋式應(yīng)變片的共模差分電壓信號執(zhí)行放大的單
J L ο
[0012]作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述主控制器優(yōu)選采用單塊的DSP控制器；所述功率放大模塊的數(shù)量為2個(gè)，它們各自用于將所述主控制器輸出的PffM波執(zhí)行功率放大至12伏，并提供至少單路1.4安的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流。
[0013]總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的技術(shù)優(yōu)點(diǎn):
[0014]1、通過采用數(shù)據(jù)手套來實(shí)時(shí)采集人手運(yùn)動(dòng)信息，并通過高度集成在欠驅(qū)動(dòng)假肢手內(nèi)部的集成控制單元來控制假肢手實(shí)時(shí)跟隨數(shù)據(jù)手套發(fā)送來的信息，相應(yīng)能夠使得假肢手完全跟隨人手的動(dòng)作，并具備結(jié)構(gòu)緊湊、無需使用計(jì)算機(jī)插接卡等附件，操控靈活方便等優(yōu)占.
[0015]2、尤其是，本發(fā)明中通過對作為關(guān)鍵組成部件的集成控制單元及其相應(yīng)組件在內(nèi)部構(gòu)造和設(shè)置方式方面的設(shè)計(jì)和改進(jìn)，不僅能夠采用一塊80mmX65mmX7mm即可完全嵌入到欠驅(qū)動(dòng)假肢手內(nèi)部，降低了電路復(fù)雜性和硬件要求，而且還在滿足系統(tǒng)控制要求的情況下，能夠有效克服假肢手動(dòng)作僅局限于事先設(shè)定的少數(shù)幾種模式的缺點(diǎn)，很好地復(fù)現(xiàn)人手的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)規(guī)律，顯著提高各類復(fù)雜動(dòng)作的精確性和適用性；
[0016]3、本發(fā)明中還對控制系統(tǒng)的一些關(guān)鍵性能參數(shù)、類型和元件布置位置進(jìn)行了針對性設(shè)計(jì)，測試表明能夠有效滿足各類領(lǐng)域的應(yīng)用需求，而且數(shù)據(jù)手套與上位機(jī)之間的連接以及上位機(jī)與假肢手集成控制電路之間的連接均采用了無線的方式，從而使得假肢手的應(yīng)用范圍更為廣泛，操作更為方便。
【附圖說明】
[0017]圖1是按照本發(fā)明所構(gòu)建的嵌入式欠驅(qū)動(dòng)假肢手控制系統(tǒng)的整體組成結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2是按照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的各個(gè)假肢手驅(qū)動(dòng)電機(jī)和指尖力傳感器的位置安裝示意圖；
[0019]在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中:
[0020]1:CyberGlove數(shù)據(jù)手套2:上位機(jī)3:集成控制單元4:假肢手電機(jī)組件5:指尖力傳感器組件3-1:無線收發(fā)模塊3-2:主控制器3-3:功率放大模塊3-4:電機(jī)速度檢測模塊3-5:電機(jī)電流檢測模塊3-6:指尖力檢測模塊3-7:電源模塊3-8:狀態(tài)指示模塊3-9:電池電量監(jiān)測模塊4-1:第一電機(jī)4-2:第二電機(jī)4-3:第三電機(jī)4_4:第四電機(jī)5-1:拇指指尖壓力傳感器5-2:食指指尖壓力傳感器5-3:中指指尖壓力傳感器5-4:無名指指尖壓力傳感器5-5:小指指尖壓力傳感器
【具體實(shí)施方式】
[0021]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0022]圖1是按照本發(fā)明所構(gòu)建的嵌入式欠驅(qū)動(dòng)假肢手控制系統(tǒng)的整體組成結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1中所示，該嵌入式欠驅(qū)動(dòng)假肢手控制系統(tǒng)主要包括CyberGlove數(shù)據(jù)手套1、上位機(jī)2、假肢手電機(jī)組件4、指尖力傳感器組件5和集成控制單元3，并通過對其中一些關(guān)鍵組件的內(nèi)部電路組成、互相連接方式、安裝位置設(shè)置以及重要性能參數(shù)等多個(gè)方面的研究和設(shè)計(jì)，相應(yīng)期望達(dá)到實(shí)現(xiàn)假肢手完全跟隨人手的運(yùn)動(dòng)，克服了對于假肢手的控制只局限于事先設(shè)定好的少數(shù)幾種模式的缺點(diǎn)，拓展假肢手的應(yīng)用領(lǐng)域等技術(shù)目的。
[0023]具體而言，CyberGlove數(shù)據(jù)手套I譬如可采用CyberGlove系統(tǒng)公司第三代產(chǎn)品，其為使用者所佩戴，并基于實(shí)際工況需求實(shí)時(shí)輸出包括關(guān)節(jié)角和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角速度在內(nèi)的各類人手運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，然后通過無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送給所述上位機(jī)2 ;在此過程中，上位機(jī)與數(shù)據(jù)手套之間保持進(jìn)程間通信，并繼續(xù)通過無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送給集成控制單元3，為假肢手的運(yùn)動(dòng)提供原始軌跡。
[0024]上位機(jī)2配合接收來自所述CyberGlove數(shù)據(jù)手套I的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并將其繼續(xù)通過無線方式輸送給集成控制單元3。此外，在系統(tǒng)出現(xiàn)意外或不需要假肢手實(shí)時(shí)跟隨人手運(yùn)動(dòng)的情況下，該上位機(jī)也可脫離數(shù)據(jù)手套單獨(dú)發(fā)送控制指令；使用過程中包括選擇抓取模式、發(fā)送抓取指令、發(fā)送松開指令、發(fā)送單個(gè)電機(jī)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)時(shí)的位置指令或速度指令等。當(dāng)用戶每次戴上數(shù)據(jù)手套時(shí)，每個(gè)關(guān)節(jié)角的傳感器初始位置不盡相同，上位機(jī)可為此提供數(shù)據(jù)手套的校準(zhǔn)功能。
[0025]參見圖2，假肢手電機(jī)組件4由四個(gè)直流有刷電機(jī)共同組成，譬如可采用直徑為1mm的直流有刷電機(jī)，它們集成安裝在作為控制對象的欠驅(qū)動(dòng)假肢手的手掌內(nèi)部，分別為用于實(shí)現(xiàn)拇指翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的第一電機(jī)4-1、用于實(shí)現(xiàn)拇指彎曲運(yùn)動(dòng)的第二電機(jī)4-2、用于同時(shí)實(shí)現(xiàn)食指和中指彎曲運(yùn)動(dòng)的第三電機(jī)4-3，以及用于同時(shí)實(shí)現(xiàn)無名指和小指彎曲運(yùn)動(dòng)的第四電機(jī)4-4 ;所述指尖力傳感器組件5譬如可采用Honeywell公司FSS-SMT系列壓力傳感器，并由五個(gè)壓力傳感器共同組成，它們各自集成安裝在欠驅(qū)動(dòng)假肢手的五個(gè)手指末端，具體包括拇指指尖壓力傳感器5-1、食指指尖壓力傳感器5-2、中指指尖壓力傳感器5-3、無名指指尖壓力傳感器5-4、小指指尖壓力傳感器5-5，由此分別用于對各個(gè)手指運(yùn)動(dòng)過程中垂直于指尖面的應(yīng)力數(shù)據(jù)執(zhí)行實(shí)時(shí)檢測。
[0026]更具體地，按照本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，上述第一電機(jī)4-1的減速比