智能假手系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種智能假手系統，包括假手本體、驅動電機、壓電駐極體、控制終端以及信號交互模塊。假手本體包括若干由所述驅動電機控制的手指指節；控制終端根據第一肌電信號控制假手本體抓取；壓電駐極體采集觸覺信號及滑覺信號，控制終端根據該信號控制假手本體是否繼續抓緊，信號交互模塊向殘肢反饋刺激；信號交互模塊還獲取第三肌電信號，控制終端根據第三肌電信號控制假手本體進一步抓緊；控制終端還根據第二肌電信號控制假手本體張開。本發明克服了傳統假手無法感受物體相對于假手的運動狀態或運動趨勢、不能控制并調節抓握力度的缺點，可靠性和安全性較高，且成本低廉，易于推廣。
【專利說明】智能假手系統
【【技術領域】】
[0001]本發明涉及康復醫療器械領域，尤其涉及一種智能假手系統。
【【背景技術】】
[0002]長期以來，疾病、工傷、自然災害、交通事故等各種意外傷害等造成了成千上萬人的肢體殘疾，為這些肢體殘疾人士安裝假肢是恢復其肢體功能的主要手段。因此，研究和開發假肢及假肢控制系統無論對幫助肢體殘疾人士自理、提高其生活品質和增加就業機會還是降低國家、社會的投入成本、促進社會和諧均有極大意義。
[0003]假肢控制技術在幾十年的發展過程中得到了較大進步，假肢的實用性也得到了一定提高。但人們對假肢的研究還主要集中在探索合適的假肢控制信息源、實現假肢的靈活控制這方面，而在假肢的智能化提升等方面的進展并不多，也就是說目前實用化的商業假肢并不具備一定的感知和反饋功能。以假手為例，目前絕大多數人工假手并不能感知外界刺激并自動做出反應，而必須以截肢者本人的視覺作為反饋、通過視覺來判斷假手執行任務的狀態，而不能像真實的人手那樣在沒有視覺反饋的情況下進行正常作業，從而容易引起“過抓緊”而破壞易碎易形變物體，或引起“欠抓緊”導致物體從手中滑落，其可靠性和安全性有待進一步提聞。
[0004]現有技術中的假手觸覺傳感以及滑覺傳感技術主要是壓阻式和壓電式觸滑覺傳感技術。壓阻式觸滑覺傳感器的體積較大，信號采集電路復雜，不易集成，并且壓敏電阻漏電流不穩定，且易老化；壓電式觸滑覺傳感技術常用的壓電材料為PVDF壓電材料，其靈敏度較低，同時該材料的制備工藝復雜、成本高昂，且基本上依靠進口。
【
【發明內容】
】
[0005]本發明旨在解決上述現 有技術中存在的問題，提出一種智能假手系統。
[0006]所述智能假手系統包括假手本體、驅動電機、壓電駐極體、控制終端以及信號交互模塊。其中，所述假手本體包括若干由所述驅動電機控制的手指指節，所述壓電駐極體設于所述手指指節表面；所述信號交互模塊與佩戴所述智能假手系統的殘肢相連接，所述信號交互模塊獲取包含抓取動作信息的第一肌電信號，所述控制終端根據所述第一肌電信號控制所述驅動電機在第一方向上轉動，從而控制所述假手本體抓取；所述壓電駐極體采集觸覺信號，所述控制終端根據所述觸覺信號屏蔽所述第一肌電信號，所述信號交互模塊根據所述觸覺信號向所述殘肢反饋刺激；所述壓電駐極體同時采集滑覺信號，所述控制終端獲取所述滑覺信號的方差值，當所述方差值大于預設閾值時，所述控制終端控制所述假手本體繼續抓取，直至所述方差值小于所述預設閾值，所述信號交互模塊根據所述滑覺信號向所述殘肢反饋刺激，所述控制終端終止屏蔽肌電信號。信號交互模塊還獲取第二肌電信號，控制終端根據第二肌電信號控制假手本體張開，同時信號交互模塊向殘肢反饋刺激告知系統使用者假手張開的狀態。信號交互模塊還獲取第三肌電信號，控制終端根據第三肌電信號控制假手本體進一步抓緊，同時信號交互模塊向殘肢反饋刺激告知系統使用者假手進一步抓緊的狀態。
[0007]本發明提出的智能假手系統可以克服傳統假手無法感受物體相對于假手的運動狀態或運動趨勢、不能控制并調節抓握力度的缺點，利用集成于假手指節內的壓電駐極體，檢測并識別“接觸”和“滑動”兩種信號，通過控制終端自適應地調節抓握力度，從而提高用戶使用假手的可靠性和安全性。同時，本發明中采用的壓電駐極體具有輕、薄、軟的優點，其靈敏度可達600PC/N;此外，壓電駐極體構成材料來源廣泛、成本低廉，易于推廣。
【【專利附圖】
【附圖說明】】
[0008]圖1為本發明一實施例的智能假手系統結構圖。
[0009]圖2為本發明一實施例的智能假手系統抓取動作原理流程圖。
[0010]圖3為本發明一實施例的智能假手系統松開動作原理流程圖。
【【具體實施方式】】
[0011]下面結合具體實施例及附圖對本發明作進一步詳細說明。下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發明的技術方案，而不應當理解為對本發明的限制。
[0012]在本發明的描述中，術語“內”、“外”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“頂”、“底”等指
示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明而不是要求本發明必須以特定的方位構造和操作，因此不應當理解為對本發明的限制。
[0013]本發明提供一種智能假手系統，所述智能假手系統包括本體、驅動電機、壓電駐極體、控制終端以及信號交互模塊。
[0014]如圖1所示，以失去小臂的殘疾人士佩戴所述智能假手系統為例，佩戴后信號交互模塊6與佩戴所述智能假手系統的殘肢7相連接，信號交互模塊6 —方面用于接收來自殘肢7的肌電信號，另一方面用于向殘肢7反饋來自假手本體I獲取的外界信號。
[0015]假手本體I包括若干由所述驅動電機控制的手指指節，壓電駐極體2設于所述手指指節表面。其中，壓電駐極體2的構成材料可以為聚丙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯等聚合物中的一種。壓電駐極體2為一層包含有大量蜂窩狀孔洞的單層封閉薄膜，在孔洞的上下表面分別沉積有大量的正負電荷，在多孔膜上下外表面分別有一層金屬電極，構成傳感結構。壓電駐極體2還可以為通過并聯或串聯方式疊加形成的多層多孔膜，以進一步增強壓電靈敏度。優選地，壓電駐極體2的表面設有用于防電磁干擾的屏蔽層；壓電駐極體2表面還可以進一步設置保護層，用于防磨損、防塵、防水。壓電駐極體2具有輕、薄、軟的特點，同時其壓電響應大，具有較高線性度，在工作溫度范圍內受溫度變化的影響小。
[0016]壓電駐極體2設置于所述手指指節內表面，用于在所述假手本體抓握物體時檢測假手和被抓握物體之間的觸覺信號以及滑覺信號。壓電駐極體2的尺寸、外形與手指指節的尺寸相匹配。在實際使用中，可以在某一手指的某一指節布置壓電駐極體2，也可以在多個手指的多個指節布置壓電駐極體2以構成陣列，從而提高信號采集的精確。圖1所示為每個手指的每個指節均布置壓電駐極體2的情形。[0017]控制終端4 一方面與壓電駐極體2通過導線3電連接，另一方面與所述驅動電機(圖未示)電連接。其中，所述驅動電機與所述指節傳動連接，所述驅動電機用于控制所述指節的抓取、松開等動作。控制終端4用于對壓電駐極體2獲取的觸覺信號或滑覺信號進行處理，并對所述驅動電機進行相應的驅動控制。此外，控制終端4還通過導線5與信號交互模塊6電連接，控制終端4 一方面用于向信號交互模塊6傳遞所述觸覺信號或滑覺信號，另一方面用于獲取并處理來自殘肢7的肌電信號。
[0018]信號交互模塊6包括振動裝置或加熱裝置。信號交互模塊6可以將所述觸覺信號或滑覺信號轉換為相應等級的振動信號或溫度信號，并向殘肢7反饋。優選地，所述振動信號可以是以振動頻率為刺激源的振動信號，或以振動幅度為刺激源的振動信號。
[0019]上文對本發明提出的智能假手系統的各組成部分及其連接關系作了介紹，下面將對所述智能假手系統的工作原理作進一步詳細描述。
[0020]本發明提出的智能假手系統可以實現對物體的抓取以及松開動作。當所述智能假手系統佩戴者欲抓取某一物體時，首先在其佩戴所述智能假手系統的殘肢7處會產生包含抓取動作信息的第一肌電信號，控制終端4根據信號交互模塊6獲取的所述第一肌電信號控制所述驅動電機在第一方向上轉動，從而控制所述假手本體抓取物體。其中，所述第一方向為用于控制所述假手本體抓取物體的所述驅動電機轉動方向。
[0021]在所述指節在抓取物體的過程中，物體表面與壓電駐極體2之間會產生相互作用力，即產生所謂的“觸覺”。壓電 駐極體2的傳感結構獲取該觸覺信號，控制終端4根據所述觸覺信號屏蔽所述第一肌電 信號，至此所述指節的動作發生不再受肌電信號的控制，而根據所述指節與物體之間的實時滑動關系進一步自適應地調整假手本體的動作。同時，控制終端4獲取所述觸覺信號的均值，由信號交互模塊6將所述觸覺信號的均值轉換為同等級的振動信號或溫度信號，并向殘肢7反饋，從而以感知信號的方式“告知”智能假手系統佩戴者目前處于“抓取”狀態。
[0022]與此同時壓電駐極體2還實時地采集所述指節與物體之間的滑覺信號，所述滑覺信號反映了所述指節與物體之間的相對滑動狀態。控制終端4對實時獲取的所述滑覺信號取方差值，當所述方差值大于某一預設閾值時，控制終端4控制所述驅動電機在第一方向上繼續轉動，從而實現假手本體I的繼續抓取，直至所述方差值小于所述預設閾值，表明所述假手本體I處于“握緊”狀態，控制終端4終止屏蔽肌電信號，后續所述假手本體I的動作可以重新由智能假手系統佩戴者發出肌電信號加以控制。同時，信號交互模塊6將所述滑覺信號的方差值轉換為同等級的振動信號或溫度信號，并向殘肢7反饋，從而“告知”智能假手系統佩戴者目前處于“握緊”狀態。其中，所述閾值大小根據實際情況預先設定，如結合感應材料的靈敏度、材料表面保護層的性質等因素預先設置所述閾值大小。此外，所述均值和方差值用于分別判斷接觸狀態以及滑動狀態，同時均值還能夠反映接觸時抓握力度的大小。
[0023]在所述假手本體I處于“握緊”狀態時，所述智能假手系統佩戴者可以進一步發出包含抓取動作信息的握緊肌電信號或包含釋放動作信息的松開肌電信號，從而實現所述假手本體I的“主觀過抓緊”或“松開”動作。
[0024]當所述智能假手系統佩戴者欲實現“主觀過抓緊”假手本體I時，首先在其佩戴所述智能假手系統的殘肢7處會產生包含抓緊動作信息的第三肌電信號，控制終端4根據所述第三肌電信號控制所述驅動電機在第一方向上轉動，從而控制假手本體I繼續抓緊。同時，信號交互模塊6實時將控制終端4獲取的所述觸覺信號均值轉換為同等級的振動信號或溫度信號，并向殘肢7反饋，從而以感知信號的方式“告知”智能假手系統佩戴者目前處于“過抓緊”狀態。佩戴者根據反饋信號的強度等級，感受過抓緊的力度大小，并決定繼續過抓緊還是停止過抓緊。其中，所述第三肌電信號，是在已經抓緊的條件下，再次產生的“抓緊”肌電信號，不同于于第一肌電信號，第一肌電信號是在未抓緊的條件下產生的“抓緊”肌電信號。當所述智能假手系統佩戴者欲松開假手本體I時，首先在其佩戴所述智能假手系統的殘肢I處會產生包含松開動作信息的第二肌電信號，控制終端4根據所述第二肌電信號控制所述驅動電機在第二方向上轉動，從而控制假手本體I松開。同時，信號交互模塊6實時將控制終端4獲取的所述觸覺信號均值轉換為同等級的振動信號或溫度信號，并向殘肢7反饋，從而以感知信號的方式“告知”智能假手系統佩戴者目前處于“松開”狀態，系統佩戴者根據實際需要決定繼續松開還是停止松開。其中，所述第二方向為用于控制假手本體I松開物體的所述驅動電機轉動方向，所述第二方向與所述第一方向為相互反向的轉動方向。
[0025] 優選地，控制終端4包括存儲單元、濾波單元、放大單元以及模數轉換單元。其中，所述存儲單元用于存儲所述預設閾值；所述濾波單元用于濾除所述觸覺信號以及所述滑覺信號中的噪聲信號，得到去噪信號；所述放大單元用于對所述去噪信號進行放大，得到放大信號；所述模數轉換單元根據所述放大信號獲得所述觸覺信號的均值以及滑覺信號的方差值。
[0026]本發明提出的智能假手系統可以克服傳統假手無法感受物體相對于假手的運動狀態或運動趨勢、不能控制并調節抓握力度的缺點，利用集成于假手指節內的壓電駐極體，檢測并識別“接觸”和“滑動”兩種信號，通過控制終端自適應地調節抓握力度，既防止“過抓緊”而損壞物體，又防止“欠抓緊”而使得物體滑落，從而提高用戶使用假手的可靠性和安全性。同時，本發明又能在系統使用者的主觀要求下，實現“主觀過抓緊”。此外，本發明中采用的壓電駐極體具有輕、薄、軟的優點，其靈敏度可達eoopc/N;此外，壓電駐極體構成材料來源廣泛、成本低廉，易于推廣。
[0027]雖然本發明參照當前的較佳實施方式進行了描述，但本領域的技術人員應能理解，上述較佳實施方式僅用來解釋和說明本發明的技術方案，而并非用來限定本發明的保護范圍，任何在本發明的精神和原則范圍之內，所做的任何修飾、等效替換、變形、改進等，均應包含在本發明的權利要求保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種智能假手系統，包括假手本體以及驅動電機，其特征在于，還包括:壓電駐極體、控制終端以及信號交互模塊，其中， 所述假手本體包括若干由所述驅動電機控制的手指指節，所述壓電駐極體設于所述手指指節表面； 所述信號交互模塊與佩戴所述智能假手系統的殘肢相連接，所述信號交互模塊獲取包含抓取動作信息的第一肌電信號，所述控制終端根據所述第一肌電信號控制所述驅動電機在第一方向上轉動，從而控制所述假手本體抓取； 所述壓電駐極體采集觸覺信號，所述控制終端根據所述觸覺信號屏蔽所述第一肌電信號，所述信號交互模塊根據所述觸覺信號向所述殘肢反饋刺激； 所述壓電駐極體同時采集滑覺信號，所述控制終端獲取所述滑覺信號的方差值，當所述方差值大于預設閾值時，所述控制終端控制所述假手本體繼續抓取，直至所述方差值小于所述預設閾值，所述信號交互模塊根據所述滑覺信號向所述殘肢反饋刺激，所述控制終端終止屏蔽肌電信號。
2.根據權利要求1所述的智能假手系統，其特征在于，所述信號交互模塊還獲取包含松開動作信息的第二肌電信號，所述控制終端根據所述第二肌電信號控制所述驅動電機在第二方向上轉動，從而控制所述假手本體松開，所述信號交互模塊根據所述觸覺信號向所述殘肢實時反饋刺激。
3.根據權利要求1所述的智能假手系統，其特征在于，所述控制終端終止屏蔽肌電信號后，所述信號交互模塊獲取包含抓取動作信息的第三肌電信號，所述控制終端根據所述第三肌電信號控制所述驅動電機在第一方向上繼續轉動，從而控制所述假手本體進一步抓緊，所述信號交互模塊向所述殘肢反饋刺激信號，供使用者決定繼續或停止抓緊。
4.根據權利要求1、2或3所述的智能假手系統，其特征在于，所述信號交互模塊包括振動裝置或加熱裝置，所述控制終端獲取所述觸覺信號的均值以及所述滑覺信號的方差值，所述信號交互模塊將所述均值以及方差值轉換為同等級的振動信號或溫度信號，并向所述殘肢反饋。
5.根據權利要求4所述的智能假手系統，其特征在于，所述控制終端包括存儲單元、濾波單元、放大單元以及模數轉換單元，其中， 所述存儲單元存儲所述預設閾值； 所述濾波單元濾除所述觸覺信號以及所述滑覺信號中的噪聲信號，得到去噪信號； 所述放大單元對所述去噪信號進行放大，得到放大信號； 所述模數轉換單元根據所述放大信號獲得所述均值以及方差值。
6.根據權利要求4所述的智能假手系統，其特征在于，所述壓電駐極體的構成材料包括聚丙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯中的一種。
7.根據權利要求4所述的智能假手系統，其特征在于，所述振動信號為以振動頻率為刺激源的振動信號或以振動幅度為刺激源的振動信號。
8.根據權利要求6所述的智能假手系統，其特征在于，所述壓電駐極體為包含蜂窩狀孔洞的單層封閉薄膜、或通過并聯或串聯方式疊加形成的多層多孔膜。
9.根據權 利要求6所述的智能假手系統，其特征在于，所述壓電駐極體的表面設有用于防電磁干擾的屏蔽層。
【文檔編號】A61F2/56GK103519924SQ201310498775
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月22日 優先權日:2013年10月22日
【發明者】方鵬, 匡星, 田嵐, 李光林 申請人:深圳先進技術研究院