肌电假手力触觉反馈方法及触觉反馈的肌电假手系统

摘要

一种肌电假手力触觉反馈方法及触觉反馈的肌电假手系统，在机械假手的手腕部位安装三维力传感器，三维力传感器的受力轴通过法兰盘与机械手底座连接，感知机械手三轴方向的受力情况。三维力传感器收到三维力作用后，通过电桥原理，把力信号转换成电压信号，输入到设有单片机、电机驱动电路在内的控制模块，由单片机采集三维力传感器传递来的代表X、Y、Z这三个轴向上的电压信号，由电压信号的正负分为X+、X-、Y+、Y-、Z+、Z-这六个方向，并按照这六个方向上电压幅值的大小，即所测得六个方向上的受力大小，输出相对应的脉冲宽度调制信号，通过电机驱动电路驱动对应方向上的微型振动器，使得振动器的振幅正比于该方向上的电压幅值。

说明书

技术领域

本发明涉及以肌电信号原理设计的假肢机械手，特别是一种基于肌电控制的机械假手 的力触觉反馈方法，属于与机械手相关的信号采集与处理、计算机等技术领域

背景技术

虽然肌电控制假手已经出现了很多年，但关于如何使机械假手像人手那样能够对外界 受力情况进行准确感知并迅速反馈给残疾人使用者这一问题一直都是机械手控制的重要 内容，现有技术的肌电假手通常都专注于肌电信号控制机械手的开合或者控制机械手夹持 力度大小，却都不能实现假手整体对外部受力的感知并且迅速将受力情况反馈给残疾人使 用者，这样不能使残疾人的方便快捷的对机械手的受力情况准确了解，使残疾人无法使用 机械手正确完成类似推搡，拉拽、上托、下压等动作，甚至机械手与外部物体发生碰撞， 使用者都无法感知，这样给残疾人使用肌电假手后适应正常生活带来困难。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明提出了腕部安装有三维力传感器的肌电控制假手力 触觉反馈方法，可让使用者按正常的生活习惯运用类似推搡，拉拽、上托、下压等动作进 行日常生活，并且可以防止机械手在残疾人无意识情况下与外物碰撞。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种肌电假手力触觉反馈方法，包括步骤：

1)先用安装在机械假手底座上的三维力传感器来采集机械假手所受到三维力信息；

2)再把三维力信息转换成震动信号，驱动安装在使用者身上的振动器；当机械假手 受到三维力时，代表相应的受力方向振动器就会发生振动，而且振动强度和受力大小成正 比。

所述振动器共6只，分别代表分别对应机械假手的X轴正向上的受力、X轴负方向 受力、Y轴正方向受力、Y轴负方向受力、Z轴正方向受力和Z轴负方向受力；

所述步骤1)中，首先采集三维力传感器输出的三个轴向信号，再对这三个信号做出 判断：

11)先判断X轴向信号，判断该信号的电压的绝对值大小是否超过预设的阈值，若 已经超过阈值，则说明此时机械假手在X轴向上受到力作用；这时再判断信号的正负性： 正代表X轴正方向受力，则驱动对应于X+方向的振动器；负代表X轴负方向受力，则驱 动对应于X-方向的振动器；

12)再判断Y轴向信号，判断该信号的电压的绝对值大小是否超过预设的阈值，若 已经超过阈值，则说明此时机械假手在Y轴向上受到力作用；这时再判断信号的正负性： 正代表Y轴正方向受力，则驱动对应于Y+方向的振动器；负代表Y轴负方向受力，则驱 动对应于Y-方向的振动器；

13)最后判断判断Z轴向信号，判断该电压信号的电压的绝对值大小是否超过程序 中预设的阈值，若已经超过阈值，则说明机械假手此时在Z轴向上受到力作用；这时再 判断信号的正负性：正代表Z轴正方向受力，则驱动对应于Z+方向的振动器；负则代表 Z轴负方向受力，则驱动对应于Z-方向的振动器；

步骤11)～13)都完成之后再继续采集信号，如此循环运行。

所述步骤2)中，代表相应的受力方向振动器的振动强度和受力大小成正比的实现方 法是，通过脉冲宽度调制电路驱动振动器，利用单片机输出脉冲宽度调制电路的占空比信 号；占空比计算方法如下：

一种触觉反馈的肌电假手力系统，包括机械假手、三维力传感器、控制模块、肌电信 号采集电极和振动器；所述机械假手的底座连接三维力传感器的受力轴；

所述控制模块包括单片机、机械假手驱动电路，放大电路和振动器驱动电路；

单片机的信号输入端连接肌电信号采集电极，单片机的控制信号输出端连接机械假手 驱动电路的信号输入端；机械假手驱动电路连接驱动机械假手的动力装置；

三维力传感器输出的三维力信号分别经放大电路放大后输入到单片机的信号输入端； 单片机的振动信号输出端连接振动器驱动电路，振动器驱动电路连接振动器。

所述机械假手包括壳体、电机、短指和长指；所述动力装置是电机，电机设在壳体内； 短指和长指的根部都设在壳体内，并与壳体转动连接；

所述短指的根部设有短指根部齿轮，长指的根部设有长指根部齿轮，短指根部齿轮和 长指根部齿轮相互啮合；

所述电机的转子上设有电机齿轮，电机齿轮连接驱动短指根部齿轮或长指根部齿轮中 任一一个；

所述电机驱动电路的驱动输出端连接电机。

还包括传动齿轮；传动齿轮包括同轴连接同时转动的第一齿轮和第二齿轮，第一齿轮 与电机齿轮啮和，第二齿轮与短指根部齿轮或长指根部齿轮中任一一个啮合；

所述第一齿轮的齿数大于第二齿轮的齿数。

电机齿轮和第一齿轮啮合传动的传动比是4∶1；第二齿轮和短指根部齿轮或长指根部 齿轮中任一一个啮合传动的传动比是10∶1；短指根部齿轮和长指根部齿轮相互啮合传动 的传动比是1∶1。

所述振动器共有6个，6个振动器贴合在使用者的手臂不同位置，分别对应机械假手 的X轴正向上的受力、X轴负方向受力、Y轴正方向受力、Y轴负方向受力、Z轴正方向 受力和Z轴负方向受力。

本技术方案的原理说明如下：

在机械假手的手腕部位安装三维力传感器，三维力传感器的受力轴通过法兰盘与机械 手底座连接，感知机械手三轴方向的受力情况。三维力传感器收到三维力作用后，通过电 桥原理，把力信号转换成电压信号，输入到设有单片机、电机驱动电路在内的控制模块， 由单片机采集三维力传感器传递来的代表X、Y、Z这三个轴向上的电压信号，由电压信 号的正负分为X+、X-、Y+、Y-、Z+、Z-这六个方向，并按照这六个方向上电压幅值的 大小输出相对应的脉冲宽度调制信号，通过电机驱动电路驱动对应方向上的微型振动器， 使得振动器的振幅正比于该方向上的电压幅值。同时六个对应于X+、X-、Y+、Y-、Z+、 Z-这六个方向的振动器分别贴在残疾人残肢手臂的不同位置，当不同的振动器产生不同振 幅时会对残疾人的手臂产生不同的刺激，使残疾人使用者能够感知到机械手目前的受力情 况，从而做出相应的动作变化来达到自己想要的效果。

所述控制模块设有信号放大电路、单片机、光电耦合隔离电路、电机驱动电路；其中 信号放大电路由通用的仪用放大器组成，将三维力传感器输出的电压信号放大成与单片机 电平相匹配的电压信号，单片机采集到三维力传感器传来的X、Y、Z这三个轴向上的电 压信号后，判断这三个信号幅值是否超过预先设定的阈值，如果没超过则不作任何动作， 如果超过则按照该信号正负性输出脉冲宽度调制信号来驱动相应的振动器，该脉冲宽度调 制信号占空比正比于电压信号的幅值，占空比计算方法如下：

脉宽调制信号通过光电耦合电路后导通三极管驱动振动器，机械手受力越大，三维力 传感器传出的电压信号越大，单片机输出的脉宽调制信号占空比也越大，振动器就会震动 越剧烈，给使用者的震动刺激就越强烈，从而达到让使用者感知机械手受力大小的目的。

本发明具有以下优点：

本发明采用在机械手腕部安装三维力传感器的方法采集机械手的受力情况，并通过相 应震动刺激反馈给残疾人使用者，实现了传统控制反馈方法的创新。使用者只需要把对应 于六个不同方向的振动器贴合在手臂的不同位置，按正常的习惯来使用肌电假手，进行类 似于推搡，拉拽、上托、下压等动作，就能通过振动器感知到肌电假手在各个方向上的受 力大小，并根据实时情况改变自己的动作及力度大小正常进行日常生活，使用起来快速灵 活，又可以防止无意识情况下机械手于外物的碰撞，避免损坏机械手或其他贵重物品，帮 助断肢残疾人完成多种动作，更好的恢复正常生活。

附图说明

图1为本技术方案总体结构示意图；图中，机械假手11、三维力传感器12、肌电信 号采集电极13、振动器14、控制模块15。

图2为本技术方案的振动器在手臂贴合位置示意图；图中，21～26分别表示不同的 振动器。

图3为本技术方案机械手与三维力传感器联接结构示意图；图中，机械假手的底座 31、三维力传感器32、三维力传感器33。

图4为本技术方案原理框图。

图5为本技术方案方法的工作流程图。

图6(a)～图6(c)为本技术方案中控制模块电路图。

图6a为三个仪用放大器AD620电路示意图、图6b为单片机C8051F320示意图、图 6c为六个光电耦合隔离电路及三极管驱动电路示意图。

图7为机械假手结构示意图，图中，肌电信号采集电极71、电机73、电机齿轮74、 第一齿轮75、第二齿轮76、短指根部齿轮77、长指根部齿轮78、短指79、长指710。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明

一种肌电假手力触觉反馈方法，是包括步骤：

1)先用安装在机械假手底座上的三维力传感器来采集机械假手所受到三维力信息；

2)再把三维力信息转换成震动信号，驱动安装在使用者身上的振动器；当机械假手 受到三维力时，代表相应的受力方向振动器就会发生振动，而且振动强度和受力大小成正 比。

所述振动器共6只，分别代表分别对应机械假手的X轴正向上的受力、X轴负方向 受力、Y轴正方向受力、Y轴负方向受力、Z轴正方向受力和Z轴负方向受力；

所述步骤1)中，首先采集三维力传感器输出的三个轴向信号，再对这三个信号做出 判断：

11)先判断X轴向信号，判断该信号的电压的绝对值大小是否超过预设的阈值，若 已经超过阈值，则说明此时机械假手在X轴向上受到力作用；这时再判断信号的正负性： 正代表X轴正方向受力，则驱动对应于X+方向的振动器；负代表X轴负方向受力，则驱 动对应于X-方向的振动器；

12)再判断Y轴向信号，判断该信号的电压的绝对值大小是否超过预设的阈值，若 已经超过阈值，则说明此时机械假手在Y轴向上受到力作用；这时再判断信号的正负性： 正代表Y轴正方向受力，则驱动对应于Y+方向的振动器；负代表Y轴负方向受力，则驱 动对应于Y-方向的振动器；

13)最后判断判断Z轴向信号，判断该电压信号的电压的绝对值大小是否超过程序 中预设的阈值，若已经超过阈值，则说明机械假手此时在Z轴向上受到力作用；这时再 判断信号的正负性：正代表Z轴正方向受力，则驱动对应于Z+方向的振动器；负则代表 Z轴负方向受力，则驱动对应于Z-方向的振动器；

步骤11)～13)都完成之后再继续采集信号，如此循环运行。

所述步骤2)中，代表相应的受力方向振动器的振动强度和受力大小成正比的实现方 法是，通过脉冲宽度调制电路驱动振动器，利用单片机输出脉冲宽度调制电路的占空比信 号；占空比计算方法如下：

一种触觉反馈的肌电假手力系统，包括机械假手、三维力传感器、控制模块、肌电信 号采集电极和振动器；所述机械假手的底座连接三维力传感器的受力轴；

所述控制模块包括单片机、机械假手驱动电路，放大电路和振动器驱动电路；

单片机的信号输入端连接肌电信号采集电极，单片机的控制信号输出端连接机械假手 驱动电路的信号输入端；机械假手驱动电路连接驱动机械假手的动力装置；

三维力传感器输出的三维力信号分别经放大电路放大后输入到单片机的信号输入端； 单片机的振动信号输出端连接振动器驱动电路，振动器驱动电路连接驱动振动器。

所述机械假手包括壳体、电机、短指和长指；所述动力装置是电机，电机设在壳体内； 短指和长指的根部都设在壳体内，并与壳体转动连接；

所述短指的根部设有短指根部齿轮，长指的根部设有长指根部齿轮，短指根部齿轮和 长指根部齿轮相互啮合；

所述电机的转子上设有电机齿轮，电机齿轮连接驱动短指根部齿轮或长指根部齿轮中 任一一个；

所述电机驱动电路的驱动输出端连接电机。

包括传动齿轮；传动齿轮包括同轴连接同时转动的第一齿轮和第二齿轮，第一齿轮与 电机齿轮啮和，第二齿轮与短指根部齿轮或长指根部齿轮中任一一个啮合；所述第一齿轮 的齿数大于第二齿轮的齿数。电机齿轮和第一齿轮啮合传动的传动比是4∶1；第二齿轮和 短指根部齿轮或长指根部齿轮中任一一个啮合传动的传动比是10∶1；短指根部齿轮和长 指根部齿轮相互啮合传动的传动比是1∶1。

所述振动器共有6个，6个振动器贴合在使用者的手臂不同位置，分别对应机械假手 的X轴正向上的受力、X轴负方向受力、Y轴正方向受力、Y轴负方向受力、Z轴正方向 受力和Z轴负方向受力。

如图1所示(图中机械假手只画出了用于夹持的二根手指)，两个肌电信号采集电极 连接到安装于三维力传感器底座内的控制模块，用于提供机械手开合的控制信号，三维力 传感器的受力轴顶端通过法兰盘与机械手的底座连接，连接方式如图3所示，六个振动器 连接到控制模块，接受控制模块传递的驱动信号产生振动反馈给残疾人使用者。

如图2所示，六个振动器贴合在残疾人使用者的手臂不同位置，其中振动器21对应 于机械手的X轴正向上的受力，当机械手在该方向上受力时，振动器21开始振动反馈给 残疾人使用者，并且受力越大，振动越剧烈。类似的，振动器22对应于X轴负方向受力， 振动器23对应于Y轴正方向受力，振动器24对应于Y轴负方向受力，振动器25对应于 Z轴正方向受力，振动器26对应于Z轴负方向受力。

图3表示了三维力传感器与机械手的连接方式，其中三维力传感器的受力轴顶端通 过法兰盘与机械假手的底座连接。

如图4所示，残疾人使用者使用肌电假手在日常生活中执行各种动作时，肌电假手 会接触外物受到三维力作用，三维力传递到三维力传感器上，经过电桥作用将力信号转换 为电压信号，控制模块采集电压信号判断其大小和对应方向，输出脉宽调制信号驱动相应 的振动器，振动器的振动再反馈给残疾人使用者。

如图5所示，首先采集三维力传感器输出的三个轴向信号，再对这三个信号做出判 断，先判断X轴向信号，看该电压信号的绝对值大小是否超过程序中预先设定的阈值， 若已经超过阈值，则说明机械假手在X轴向上受到力作用，这时再判断信号的正负性： 正代表X轴正方向受力，就需要驱动对应于X+方向的振动器；负则代表X轴负方向受力， 就需要驱动对应于X-方向的振动器。然后再判断Y轴向信号，看该电压信号的绝对值大 小是否超过程序中预先设定的阈值，若已经超过阈值，则说明机械假手在Y轴向上受到 力作用，这时再判断信号的正负性：正代表Y轴正方向受力，就需要驱动对应于Y+方向 的振动器；负则代表Y轴负方向受力，就需要驱动对应于Y-方向的振动器。最后判断判 断Z轴向信号，看该电压信号的绝对值大小是否超过程序中预先设定的阈值，若已经超 过阈值，则说明机械假手在Z轴向上受到力作用，这时再判断信号的正负性：正代表Z 轴正方向受力，就需要驱动对应于Z+方向的振动器；负则代表Z轴负方向受力，就需要 驱动对应于Z-方向的振动器。这些都完成之后再继续采集信号，如此循环运行。

如图6所示，控制模块包括三个仪用放大器AD620电路(图6a)、单片机C8051F320 (图6b)、六个光电耦合隔离电路及三极管驱动电路(图6c)，以上电路均为本领域熟知 的常规电路。

本例采用东南大学机器人传感与控制技术实验室自主研制的直接输出型机器人四维 力与力矩传感器(公开号：CN 1425903A)，使其输出三维力信号，不输出力矩信号，输 出电压范围为-1.4V～+1.4V，额定载荷范围为-100N～+100N。插头CNT3\1的三个接头 分别与三维力传感器的三路信号输出端连接，接受三维力信号，输入到三个仪用放大器 AD620的正输入端进行信号放大处理，将原来输出电压范围为-1.4V～+1.4V的信号放大 为输出电压范围为-2.8V～+2.8V的信号，匹配单片机的输入电平，提高信号采集和控制的 精确度，三个AD620的输出端连接到单片机C8051F320的P1.0口、P1.1口和P1.2口， 供单片机进行AD转换，单片机根据三路AD转换后的结果进行过图5所示的判断流程之 后，决定应该发出怎样的脉宽调制信号来驱动振动器。单片机的P1.3口、P1.4口、P1.5 口、P1.6口、P1.7口、P2.0口发出脉宽调制信号连接到六路光电耦合隔离电路的输入端 X+、X-、Y+、Y-、Z+、Z-，六路光电耦合电路的输出端都连接到一个PNP三级管的基 极。以X+方向振动器驱动方法为例：当光电耦合电路的输入端X+为高电平时，则输出 端为低电平，这样会导通三极管，驱动振动器MX+。其他振动器驱动方法相同。机械手 受力越大，三维力传感器传出的电压信号越大，单片机输出的脉宽调制信号占空比也越大， 则三级管导通时间越长，振动器就会震动越剧烈，给使用者的震动刺激就越强烈，从而达 到让使用者感知机械手受力大小的目的。