專利名稱：：仿人型肌電假手感覺反饋用電刺激器的制作方法
技術領域：
：本發明涉及一種多自由度肌電假手電氣控制系統的感覺反饋電刺激裝置-屬于生物機電一體化(Biomechatronics)
技術領域：
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背景技術：
：假手的研究對于殘疾人能夠進行日常生活和更好的融入社會是非常重要的，近年來由工傷、車禍等造成的肢體殘疾人士數量呈逐年上升趨勢。第二次全國殘疾人調査數據顯示，從1987年到2006年的近二十年時間里，我國的殘疾人數量由5164萬人增加到8296萬人，而肢體殘疾人士從800多萬增加到現在的2412萬，已成為我國殘疾人中比例最大的群體，占殘疾人總數的29.07%。肢體殘疾人士也需要很好地融入社會，因此世界各國都有針對性地進行了研究，這其中包括肢體殘疾人用假手的研發與應用。假手應該具有與人手一樣的外形和大小、重量輕、并具有抓取和靈巧操作的功能，從而在功能上代替人手。但是，目前市場上比較成熟的商業假手幾乎都是單自由度，近年來有多指多關節的多自由度假手成為比較活躍的研究方向。在多自由度假手研究領域比較引人注意的是基于欠驅動原理的假手，這種設計減輕了手指的重量，增加了抓握穩定性。但是在假手佩戴者的訓練及日常使用中發現，肢體殘疾人士對假手不能很好地進行感覺。在一些裝有觸覺傳感器的假手中，使用者對于感覺認識有所改進，但是由于存在時間延遲，往往發生物體掉落等情況，而且這種觸覺是反饋給處理器，并非殘疾人自己的神經系統。為了讓佩戴者較好地使用假手，很有必要進行感覺反饋的研究及應用，使其真正產生"幻肢"的感覺。所謂感覺反饋，即經過訓練，使假手的機械抓取力情況與系統設備對人體皮膚的刺激強度一一對應，這樣佩戴者就能較好地感知類似真手一樣的感覺，避免誤動作或誤出力，目前市場上還沒有成熟的應用于假手的感覺反饋系統。普通的假手不具有像正常手一樣進行力、溫度、滑動等的感覺，在沒有視覺的幫助下，甚至無法感知假手與身體的相對位置。國內外的研究機構在假手的研究中往往在手掌及手指上分布一些傳感器，以此來進行感覺反饋，但是這種模式的技術復雜，可靠性差，而且也存在延遲，并且各研究機構的假手的反饋系統都是自行設計，彼此之間不能通用。
發明內容本發明為解決采用傳感器作為感覺反饋的肌電假手存在的感覺反饋準確性較差、存在時間延遲、不能區分刺激強度和通用性較差的問題，提出了一種仿人型肌電假手感覺反饋用電刺激器。'本發明由電源模塊電路和刺激驅動電路組成，電源模塊電路的驅動電源輸出端連接刺激驅動電路的驅動電源輸入端，所述電源模塊電路包括電感、整流二極管、第一配置電阻、第二配置電阻和電源模塊主控芯片，電源模塊主控芯片的電源輸入端和電感的第一端都與7.2V電源連接，電感的第二端和整流二極管的陽極都與電源模塊主控芯片的驅動電源輸入端連接，第一配置電阻的第一端和第二配置電阻的第一端都與電源模塊主控芯片的驅動電源輸出端連接，第一配置電阻的第二端和整流二極管的陰極都與刺激驅動電路的驅動電源輸入端連接；所述刺激驅動電路包括關斷時間配置電路、檢測電阻、頻率信號發生電路和刺激驅動電路主控芯片，刺激驅動電路主控芯片的驅動電源輸入端與電源模塊電路的電源輸出端連接，頻率信號發生電路的信號輸出端與刺激驅動電路主控芯片的PWM信號輸入端連接，檢測電阻的兩端分別與剌激驅動電路主控芯片的檢測電源輸出端和電源地連接，關斷時間配置電路的兩端分別與刺激驅動電路主控芯片的關斷時間控制端和電源地連接。有益效果本發明的電刺激器簡單可靠，驅動電極啟動后工作穩定，仿人形肌電假手的延時在50ms左右，使用者不會感覺到延遲，并且仿人形肌電假手佩戴者經過訓練后，根據電刺激器電極對皮膚表面的刺激程度可區分出六檔不同強度的刺激等級，可被用來對應假手抓取力大小的六個等級，以此來減少仿人形肌電假手的誤動作，該六檔強度還可以在軟件程序里方便地進行改動，因而其針對不同敏感程度的假手佩戴者具有較好的通用性；此外電刺激電路的最高工作電壓為低于36V的人體安全電壓，電極放置在皮膚上之后，正常工作下流過人體皮膚的刺激電流為8mA，不會對人體造成傷害。圖1是本發明的電路結構示意圖；圖2是本發明工作在電氣控制系統中4的結構示意圖。具體實施例方式具體實施方式一參見圖1和圖2，本實施方式的感覺反饋用電刺激器7由電源模塊電路A和刺激驅動電路B組成，電源模塊電路A的驅動電源輸出端連接刺激驅動電路B的驅動電源輸入端，電源模塊電路A包括電感L5、整流二極管D1、第一配置電阻R59、第二配置電阻R63和電源模塊主控芯片7-1，電源模塊主控芯片7-1的電源輸入端和電感L5的第一端都與7.2V電源連接，電感L5的第二端和整流二極管D1的陽極都與電源模塊主控芯片7-1的驅動電源輸入端連接，第一配置電阻R59的第一端和第二配置電阻R63的第一端都與電源模塊主控芯片7-1的驅動電源輸出端連接，第一配置電阻R59的第二端和整流二極管D1的陰極都與刺激驅動電路B的驅動電源輸入端連接；剌激驅動電路B包括關斷時間配置電路RC、檢測電阻R64、頻率信號發生電路PWM和刺激驅動電路主控芯片7-2，刺激驅動電路主控芯片7-2的驅動電源輸入端與電源模塊電路A的電源輸出端連接，頻率信號發生電路PWM的信號輸出端與刺激驅動電路主控芯片7-2的PWM信號輸入端連接，檢測電阻R64的兩端分別與刺激驅動電路主控芯片7-2的檢測電源輸出端和電源地連接，關斷時間配置電路RC的兩端分別與刺激驅動電路主控芯片7-2的關斷時間控制端和電源地連接。本實施方式的電源模塊主控芯片7-1可采用LM2577芯片，封裝形式為5LeadTO-263,是國家半導體(NationalSemiconductor)出品的一款成熟的DC-DC穩壓芯片；刺激驅動電路主控芯片7-2可采用LMD18245芯片，封裝形式為15LeadTO-220，也是國家半導體的產品，是最大耐流為3A，最大耐壓為55V的DMOS全橋驅動芯片，其內部集成了過流保護，使用比較安全可靠。電源模塊電路A的7.2V入口電壓由兩節鋰離子聚合物電池提供，可經過電容C31(0.1uF，電容C31的兩端分別與7.2V電源和電源地連接)濾波后進入LM2577芯片的5腳，同時濾波后的電壓經過電感L5連接到LM2577芯片的4腳(即LM2577芯片內部NPN型三極管的集電極端)，作為電源模塊主控芯片7-1的開關電壓；LM2577芯片的4腳再經由快恢復整流二極管D1(IN4934)和電解電容C32(1000uF/70V/1206),在第一配置電阻R59(100K)和第二配置電阻R63(4K)的作用下，配置出刺激驅動電路B所需的30~33V直流電壓，計算公式為F。ut=1.23x(R59/R63+l)，另外還可以增加第三配置電阻R58(2.4K)和配置電容C30(4.7uF)，第三配置電阻R58的第一端與電源模塊主控芯片7-l的第一配置電源端連接，第三配置電阻R58的第二端與配置電容C30的第一端連接，配置電容C30的第二端與電源模塊主控芯片7-1的第二配置電源端連接，可參考LM2577芯片的數據手冊，根據所需的輸出電壓自由配置；電源模塊電路A輸出的電壓可經過鋁電解電容C35(100uF/70V)來消除驅動電源線路上的浪涌電流，再經過陶瓷電容C33(luF)來消除驅動電源線路上的脈沖電壓(鋁電解電容C35的兩端分別與電源模塊電路A的電源輸出端和電源地連接，陶瓷電容C33的兩端分別與電源模塊電路A的電源輸出端和電源地連接)，然后連接到剌激驅動電路B的LMD18245芯片的9腳，作為刺激驅動電路B部分電路的驅動電壓，LMD18245芯片的14展卩、4、6、7、8腳均接3.3V的數字電壓，這個輸入電壓來自仿人形肌電假手電氣控制系統的主DSP電路1，其中14腳是為LMD18245芯片提供參考電壓，而4、6、7、8腳用來配置驅動橋上所能驅動負載的最大電流閾值(本實施方式中此四腳均拉高，以使在較低電壓下就有較大的驅動電流輸出)；LMD18245芯片的IO腳接地(不利用其緊急剎車功能，實際應用時可根據自己需要而設置)，LMD18245芯片的3腳處所接的關斷時間配置電路RC(由RC電阻R65和RC電容C36組成)用來配置芯片內部H橋的關斷時間，其計算公式為r。ff.。n=l.lRC，LMD18245芯片的13腳與地之間串接的檢測電阻R64用來得到電流檢測的電壓信號，作為內部電流比較器的輸入，并且與轉換輸出的模擬信號進行比較，再經過單穩態得到PWM(脈沖寬度調制)信號，對H橋電路輸出電流進行斬波控制。本實施方式的感覺反饋用電刺激器設置在由主DSP電路1、蜂鳴器電路2、電源管理電路3、溫度傳感器4、EMG通道電路5、振動電機電路6、電刺激電路7、藍牙電路8、從DSP電路9、多個力矩傳感器10、CPLD電路11、多個電機驅動電路12和多個電動機M組成的仿人型肌電假手的電氣控制系統中(參見圖2)，當仿人型肌電假手開始工作后，肌電電極拾取假手佩戴者的肌電信號，信號經過處理后送入主DSP電路l進行分類與識別，根據庫存的樣本給出相應的假手動作指令，同時隨著假手本體的不斷動作，力和力矩傳感器實時檢測假手的抓取力大小并返回給主DSP電路1，主DSP電路1根據力大小選擇電刺激強度，然后控制從DSP電路9去驅動電刺激電路7，電刺激電路7按指令給出相應的刺激強度，通過刺激電極把相應的電刺激感覺作用的人體皮膚上。本實施方式不通過傳感器使假手本身具有感知功能，而是借助電刺激電路7把假手抓取力大小這一信息反饋給假手佩戴者的大腦，這樣經過一段時間的訓練，就能建立假手抓取力情況與電刺激強度的對應關系。利用電刺激器的方式把假手的抓取力大小轉化為人體感覺舒適的由電流引起的皮膚剌激感，由于整個皮膚表面都具有感覺神經，所以不必直接與神經相連就能把感覺信息反饋給大腦，根據電剌激器電極對皮膚表面的剌激程度可區分出六檔不同強度的剌激等級，可被用來對應假手抓取力大小的六個等級，以此來減少仿人形肌電假手的誤動作，該電刺激器的六檔強度設置是依靠電流刺激的頻率和PWM波的占空比來實現的，詳見下表-<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>權利要求1、仿人型肌電假手感覺反饋用電刺激器，其特征在于它由電源模塊電路(A)和刺激驅動電路(B)組成，電源模塊電路(A)的驅動電源輸出端連接刺激驅動電路(B)的驅動電源輸入端，所述電源模塊電路(A)包括電感(L5)、整流二極管(D1)、第一配置電阻(R59)、第二配置電阻(R63)和電源模塊主控芯片(7-1)，電源模塊主控芯片(7-1)的電源輸入端和電感(L5)的第一端都與7.2V電源連接，電感(L5)的第二端和整流二極管(D1)的陽極都與電源模塊主控芯片(7-1)的驅動電源輸入端連接，第一配置電阻(R59)的第一端和第二配置電阻(R63)的第一端都與電源模塊主控芯片(7-1)的驅動電源輸出端連接，第一配置電阻(R59)的第二端和整流二極管(D1)的陰極都與刺激驅動電路(B)的驅動電源輸入端連接；所述刺激驅動電路(B)包括關斷時間配置電路(RC)、檢測電阻(R64)、頻率信號發生電路(PWM)和刺激驅動電路主控芯片(7-2)，刺激驅動電路主控芯片(7-2)的驅動電源輸入端與電源模塊電路(A)的電源輸出端連接，頻率信號發生電路(PWM)的信號輸出端與刺激驅動電路主控芯片(7-2)的PWM信號輸入端連接，檢測電阻(R64)的兩端分別與刺激驅動電路主控芯片(7-2)的檢測電源輸出端和電源地連接，關斷時間配置電路(RC)的兩端分別與刺激驅動電路主控芯片(7-2)的關斷時間控制端和電源地連接。2、根據權利要求1所述的仿人型肌電假手感覺反饋用電剌激器，其特征在于所述電源模塊電路(A)還包括電容(C31)，電容(C31)的兩端分別與7.2V電源和電源地連接。3、根據權利要求1所述的仿人型肌電假手感覺反饋用電剌激器，其特征在于所述電源模塊電路(A)還包括第三配置電阻(R58)和配置電容(C30)，第三配置電阻(R58)的第一端與電源模塊主控芯片(7-1)的第一配置電源端連接，第三配置電阻(R58)的第二端與配置電容(C30)的第一端連接，配置電容(C30)的第二端與電源模塊主控芯片(7-l)的第二配置電源端連接。4、根據權利要求1所述的仿人型肌電假手感覺反饋用電刺激器，其特征在于所述刺激驅動電路(B)還包括鋁電解電容(C35)和陶瓷電容(C33)，鋁電解電容(C35)和陶瓷電容(C33)先并聯然后的兩端分別與電源模塊電路(A)的電源輸出端和電源地連接。全文摘要仿人型肌電假手感覺反饋用電刺激器，它是一種肌電假手電氣控制系統的感覺反饋刺激裝置，以解決傳感器感覺反饋存在的準確性和通用性較差、時間延遲較長、不能區分刺激強度的問題。電源模塊主控芯片的電源端和電感都與電源連接，電感和整流二極管都與電源模塊主控芯片的驅動端連接，第一和第二配置電阻都與電源模塊主控芯片的驅動端連接，第一配置電阻和整流二極管都與刺激驅動電路的驅動端連接；刺激驅動電路主控芯片的電源端與電源模塊電路的電源端連接，頻率信號發生電路的輸出端與刺激驅動電路主控芯片的信號端連接，檢測電阻與刺激驅動電路主控芯片的檢測端和電源地連接，關斷時間配置電路與刺激驅動電路主控芯片的關斷控制端和電源地連接。文檔編號A61F2/54GK101305939SQ20081006458公開日2008年11月19日申請日期2008年5月26日優先權日2008年5月26日發明者宏劉,力姜,楠李,湯奇榮申請人:哈爾濱工業大學