智能肌电假手的多传感器信息系统研究

摘要

具有多种感觉的智能仿生假手研究，目的是为了提高肢残人士的生活自理度，缩小其与健康人肢体之间功能上的差异，保障肢体残疾患者心理健康，促进社会文明及医疗福利事业的发展。同时，智能仿生假手研究集多传感器技术、信息融合技术、生物医学工程、电子信息等多学科领域的交叉，促进了当今的各项尖端技术相互渗透。人类的上肢系统功能复杂，感觉反馈极其丰富，而目前商用的电动假手基本上采用肌电信号控制，并不具备对所抓物体的信息感知反馈。为了使假手尽可能地模仿人手的功能，提高假手的仿生性和智能性，有必要在肌电电动假手系统上增添多传感器感知系统。
　　 佩戴肌电假手的残疾人以残肢表面肌电信号作为假手控制信号，实现近似自然的手部动作操控。涉及表面肌电信号的采集处理、手部动作识别、假手运动控制等技术。多传感器感知与肌电电动假手的有机结合将使假手具有良好的仿生性，并使假手操作的智能化程度得到有效的提升。为此，本文在肌电信号处理和识别的基础上，对被抓物体的接近觉传感与检测、软硬度检测、导热性测量等多个方面进行了理论研究和实验探索。设计并研制多感知传感器的硬件电路，最终集成到肌电假手上。取得了以下研究成果与创新：
　　 (1)对国内外电动假手、各种可用于假手的新型传感器相关技术文献进行了综述，简要分析和总结了软硬度传感器、接近觉传感器、导热性传感器以及肌电假手的发展现状和发展趋势。
　　 (2)针对肌电信号控制电动假手中存在不同肌群之间相互耦合的问题，提出了一种盲源分离和小波分析相结合的多通道串扰消除方法，提高了信号的信噪比；采用时频组合多角度特征融合的方法，融合了不同BP网络对不同模式识别能力的差异，充分利用了多特征集的互补性，提高了肌电信号多动作模式的识别率及肌电假手控制的鲁棒性。
　　 (3)在机器人PVDF触觉传感器基础上，结合手爪的控制速度，设计了仿生假手用软硬度检测传感器，提出了一种行之有效的被抓物体软硬度检测与表达方法。实验得出，在特定夹紧速度下，以设定时间段内软硬度检测传感器输出电压信号采样值的累加和作为特征量能较好地表达待测物体的软硬度。
　　 (4)研制了用于仿生假手的导热性检测传感器，设计了相应的热觉信号检测电路。针对电动假手工作环境及气候的变动性，提出了一种仿人型PWM温度调节方式，有效克服了检测系统工作环境不一致带来的误差。设计的热敏电阻阵列检测单元，有效减小了检测盲区，降低了对被抓物体接触位置的要求，提高了感知系统的稳定性与灵敏度。
　　 (5)研制了仿生假手用的红外接近觉检测传感器，接近觉信号通过调制电路发射并由解调电路解调出接近信息。系统在抓取物体时能够准确、快速地判断目标物与手指的接近程度，并能及时反馈给控制器调整手爪的驱动电机转速，成功实现了物体的软抓取。
　　 (6)多感觉传感器系统在肌电假手上完成了集成，研究成果为开发具有多种感觉的肌电电动假手提供了技术路线和方法。