機械手控制系統的制作方法

本發明涉及機械電子領域，尤其涉及一種機械手控制系統。

背景技術：

當今社會由于各種事故、自然災害以及疾病等原因，出現需要殘疾人士，其中，許多殘疾人士是失去單臂或者雙臂的情況，手臂在日常生活中具有重要的作用，如果沒有手臂，幾乎是日常生活無法自理。現有技術中，雖然出現了許多假肢手臂，但是這些假肢手臂僅僅能夠起到簡單的作用，或者說主要是起到美觀的作用，而無法真正在生活中應用。

技術實現要素：

本發明提供一種機械手控制系統，以實現通過人體的肌肉動作來控制機械手動作。

為了實現上述目的，本發明提供了一種機械手控制系統，包括：

至少一個傳感器、中央處理模塊、多個用于驅動手指運動的電機、每個電機分別對應一個電機驅動單元以及用于給所述控制系統供電的電源，其中，所述傳感器的感應端抵接在人體肢體上，所述傳感器與所述中央處理模塊的第一輸入端電連接，所述中央處理模塊的輸出端與所述電機驅動單元的輸入端電連接，所述電機驅動單元的輸出端與所述電機的輸入端電連接；所述傳感器，用于檢測人體肢體部位在進行手指運動時所產生的肌電信號；所述中央處理模塊，用于根據所述傳感器檢測到的肌電信號向所述電機驅動單元發出電機控制信號；所述電機驅動單元，用于根據所述電機控制信號驅動所述電機運轉；所述電機驅動單元中的一個或任意多個或者所述電機中的一個或任意多個分別電連接有電機控制開關，用于開啟或者關閉所述電機，所述電機控制開關的物理按鍵設置在所述機械手的外表面。

本發明提供的機械手控制系統，通過傳感器檢測人體控制手指動作時所傳送的肌電信號，由中央處理模塊根據傳感器檢測到的肌電信號向電機驅動單元發出電機控制信號，進而由電機驅動單元根據電機控制信號驅動電機運轉。本發明實施例能夠根據人體控制手指動作時所傳送的肌電信號控制機械手動作，實現機械手動作的自動化控制，便于對機械手進行使用操作。

上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段，而可依照說明書的內容予以實施，并且為了讓本發明的上述和其它目的、特征和優點能夠更明顯易懂，以下特舉本發明的具體實施方式。

附圖說明

圖1為本發明實施例一所提供的機械手控制系統的結構示意圖。

圖2為本發明實施例二所提供的機械手控制系統的結構示意圖之一。

圖3為本發明實施例二所提供的機械手控制系統的結構示意圖之二。

圖4為本發明實施例三所提供的機械手控制系統的使用狀態示意圖。

圖5為本發明實施例四所提供的機械手控制系統的結構示意圖。

圖6為本發明實施例四所提供的機械手控制系統的使用狀態示意圖。

具體實施方式

下面將參照附圖更詳細地描述本公開的示例性實施例。雖然附圖中顯示了本公開的示例性實施例，然而應當理解，可以以各種形式實現本公開而不應被這里闡述的實施例所限制。相反，提供這些實施例是為了能夠更透徹地理解本公開，并且能夠將本公開的范圍完整的傳達給本領域的技術人員。

下面結合附圖對本發明實施例的機械手控制系統進行詳細描述。

實施例一

如圖1所示，圖1為本發明實施例一所提供的機械手控制系統的結構示意圖。本發明實施例的機械手控制系統包括：至少一個傳感器、中央處理模塊、用于驅動手指運動的電機、電機驅動單元以及用于給控制系統供電的電源，其中，傳感器的感應端抵接在人體肢體上，傳感器與中央處理模塊的第一輸入端電連接，中央處理模塊的輸出端與電機驅動單元的輸入端電連接，電機驅動單元的輸出端與電機的輸入端電連接；傳感器，用于檢測人體肢體部位在進行手指運動時所產生的肌電信號；中央處理模塊，用于根據傳感器檢測到的肌電信號向電機驅動單元發出電機控制信號；電機驅動單元，用于根據電機控制信號驅動電機運轉。

上述中央處理模塊的輸出端可以為gpioa(通用輸入/輸出)通道端口，上述中央處理模塊的第一輸入端可以為a/d(模擬/數字)變換排序器通道端口。此外，電機可以為微型直流電機。

上述傳感器可以為肌電信號傳感器。人體肢體部位在進行屈指以及展指運動時，人體肢體部位的肌電信號分別會發生相應的變化，利用肌電信號會發生相應變化這一特性，可以將傳感器的感應端抵接在人體肢體上，通過傳感器檢測人體肢體部位的肌電信號的變化，獲得人體肢體部位的動作意愿。其中，人體肢體可以為人體手臂，例如，傳感器的感應端可以抵接在對應人體手臂的二頭肌部位或者對應人體手臂的內屈肌群部位。需要說明的是，人體肢體還可以為人體腿部，例如，傳感器的感應端可以抵接在對應腿部的股外側肌部位或者對應腿部的脛骨前肌部位，也就是說，也可以通過人體的其他部位來控制機械手，并不限于手臂部分的肌肉。

下面介紹一下上述控制系統所控制的機械結構，機械手的主要動作為屈指和展指，屈指和展指的主要動力源都來自上述電機，具體地，作為一種可選的機械結構，可以將機械結構的整體結構設計為：電機輸出軸帶動減速器的輸入軸運轉，通過減速器減速，減速器的輸出軸通過傳動機構，來驅動手指進行屈指或者展指的運動，其中，可以針對每個手指配備一個專門的電機，也可以將全部手指通過一定電機來進行驅動，在實際應用中，較為優選地，每個手指配備一個電機，每個電機配有一個電機驅動單元，中央處理模塊通過多個獨立的gpioa通道端口控制各個電機驅動單元。屈指和展指的運動，主要是靠控制電機的正轉和反轉來實現。其中，減速器的輸出軸與手指結構之間的傳動機構可以采用渦輪蝸桿或者滑動螺栓螺母的結構，這樣的結構本身具有一定的自鎖功能，即在電機停止動力輸出后，手指能保持住當前的姿態，從而可以實現對物體的抓握。

本發明實施例提供的機械手控制系統，通過傳感器檢測人體控制手指動作時所傳送的肌電信號，由中央處理模塊根據傳感器檢測到的肌電信號向電機驅動單元發出電機控制信號，進而由電機驅動單元根據電機控制信號驅動電機運轉。本發明實施例能夠根據人體控制手指動作時所傳送的肌電信號控制機械手動作，實現機械手動作的自動化控制，便于對機械手進行使用操作。

實施例二

如圖2和圖3所示，圖2是實施例二相對實施例一所增加的元件與實施例一中部分單元連接的原理示意圖，圖3為假肢手一個手指的控制系統的結構示意圖。本實施例與實施例一不同之處在于，本實施例的機械手控制系統還可以包括用于檢測電機驅動回路中電流值檢測元件，通過這樣的檢測元件可以實現一定程度的反饋控制。

在實際應用中，在沒有反饋控制的情況下，機械手完全依靠人體手臂的肌電信號控制進行相應的動作，當抓取物體時，需要機械手使用者自行預判機械手的抓取力度，容易發生力度過大將物體抓壞，或者力度過小導致物體在機械手中滑落。

為了防止上述問題的發生，本發明實施例在實施例一的基礎上作了進一步改進，本實施例的機械手控制系統還可以包括檢測元件，電機的輸入端與電機驅動單元的輸出端以及檢測元件的輸入端電連接，檢測元件的輸出端與中央處理模塊的第二輸入端電連接；檢測元件，用于檢測電機輸入端的電流值；中央處理模塊，用于根據檢測元件檢測到的電流值以及肌電信號，向電機驅動單元發出電機控制信號。其中，前述中央處理模塊的第三輸入端可以為a/d變換排序器通道端口。

這里所說的檢測元件用于檢測電機輸入端的電流值，是指，在實際應用中，電機在通電狀態下，電機從正常轉動狀態到機械手抓取物體并使得電機載荷狀態時，電機的輸出扭矩逐漸增大，電機的轉速逐漸降低，電機輸出端的電流逐漸增大。為了使機械手正常工作，可以根據實際情況選擇電機的輸出扭矩范圍(可以限定一個最大扭矩值即可)，作為電機正常運轉和電機載荷運轉并趨近于停止轉動的界限。可以通過更換大扭矩的電機來改變電機的扭矩范圍，電機的輸出扭矩和電機輸入端的電流成正比，選擇好電機的臨界扭矩范圍之后，可以根據電流和扭矩之間成正比的關系，計算出電機輸入端的臨界電流范圍，可以在計算出的臨界電流范圍內選取一個值作為預設電流值。通過檢測元件檢測電機輸出端的電流值，將檢測到的電流值和預設電流值進行比較，得出比較結果，向電機驅動單元發出電機控制信號。

上述檢測元件可以為電流檢測元件。其中，檢測元件可以設置在電機驅動單元的內部，當然也可以單獨作為一個檢測單元。

上述中央處理模塊可以包括：控制單元以及比較單元，比較單元中設置有預設電流值，比較單元用于將電機輸入端的電流值與比較單元中設置的預設電流值相比較，并將比較結果發送給控制單元，控制單元用于根據傳感器檢測到的肌電信號和比較單元的比較結果，向電機驅動單元發出電機控制信號。其中，傳感器的數量可以至少為兩個，其中至少一個傳感器為檢測屈指肌電信號的第一傳感器，至少一個傳感器為檢測展指肌電信號的第二傳感器。本發明實施例中的傳感器的數量優選為兩個，這兩個傳感器其中一個設置在屈指動作時產生肌電信號較多的肌肉部位，另一個設置在展指運動時產生肌電信號較多的部位，由于不同的殘疾人可能手臂截斷的部位是不同的，因此，實際設置傳感器的部位可以因人而異，可以讓使用者首先嘗試做屈指和展指運動，然后通過檢測儀器測試一下哪部分肌肉產生的肌電信號較多，然后再設置傳感器。作為一種簡便方式，可以讓使用者感覺一下在屈指和展指的過程中，哪部分肌肉在動，然后將傳感器設置于該部位即可，之后，可以在安裝機械手后，可以根據機械手的使用情況進行調整即可。在實際使用中，一般可以將第一傳感器抵接在對應手臂的二頭肌部位外側，第二傳感器抵接在對應手臂的二頭肌部位內側。此外，在機械手結構中，可以設置為電機正向轉動時驅動機械手的手指進行屈指運動，電機反向轉動時驅動機械手的手指進行展指運動，具體的電機正反轉設計可以根據具體機械結構而定。

這里所說的當檢測到肌電信號并且比較結果為電機輸入端的電流值小于或等于預設電流值的情況下，向電機驅動單元發出使電機轉動的電機控制信號包括：當檢測到屈指肌電信號并且比較結果為電機輸入端的電流值小于或等于預設電流值的情況下，向電機驅動單元發出使電機正向轉動的電機控制信號；當檢測到展指肌電信號并且比較結果為電機輸入端的電流值小于或等于預設電流值的情況下，向電機驅動單元發出使電機反向轉動的電機控制信號。

此外，如圖3所示，供電電源的電壓可以為8v，可以通過電源交換電路將電源的供電電壓轉換為1.8v、3.3v以及5v，1.8v和3.3v的供電電壓通入中央處理模塊中，其中，1.8v的供電電壓用于為中央處理模塊中的控制單元以及比較單元供電；中央處理模塊中可以設置有用于使模擬信號與數字信號二者互相變換的a/d變換排序器，3.3v的供電電壓用于為中央處理模塊中的a/d變換排序器供電；5v的供電電壓用于為電機驅動單元供電。

另外，上述中央處理模塊還可以包括顯示單元，機械手的手背上可以設置有用于安裝顯示單元的安裝孔，顯示單元通過安裝孔安裝在機械手手背上，顯示單元可以設置有顯示屏，顯示屏從安裝孔處露出機械手手背。比較單元可以基于電機輸入端的電流計算出當前電機的扭矩。顯示單元可以與比較單元電連接，顯示單元將比較單元計算出的電機輸出扭矩顯示給機械手使用者。機械手使用者可以根據顯示單元顯示的電機輸出扭矩，結合待抓取物體外壁的實際承受載力，通過人體大腦控制停止向手臂神經發送屈指意愿。

上述的中央處理模塊中的各個組成部分，可以由單獨的芯片構成，可以將部分或者全部的單元由內置程序的微處理器完成，例如，單片機、dsp等微處理器。

作為上述中央處理模塊組成結構的一種可選方式，也可以將上述的中央處理模塊通過fpga等集成電路實現。

為了防止其他信號對檢測到的人體肌電信號造成干擾，本發明實施例的機械手控制系統還可以包括差動放大電路以及濾波電路電連接，傳感器的輸出端可以與差動放大電路的輸入端電連接，差動放大電路的輸出端可以與濾波電路的輸入端電連接，濾波電路的輸出端可以與中央處理模塊的第一輸入端電連接；差動放大電路，用于將傳感器的檢測到的肌電信號放大；濾波電路，用于過濾肌電信號中的交流成分。

為使中央處理模塊和電機驅動單元二者之間的控制信號相適配，中央處理模塊的輸出端與電機驅動單元的輸入端之間可以通過電平變換電路電連接，電平變換電路，用于將中央處理模塊的輸出端的電機控制信號轉化為與電機驅動單元相適配的電機控制信號，例如，中央處理模塊輸出的是0-3.3v電機控制信號，驅動單元只能在電機控制信號為5v時控制電機轉動，這時就需要電平變換電路將0-3.3v范圍內的電機控制信號轉換為5v，以便于驅動單元接收中央處理模塊發送的電機控制信號。此外，電機由轉動狀態驟然停止時，檢測元件的感應端由通電狀態變為斷電狀態，使得檢測元件中產生自感電動勢，自感電動勢的產生會導致檢測元件燒損。為了防止檢測元件燒損，檢測元件的輸出端與中央處理模塊的第二輸入端之間可以通過阻容網絡電路電連接，這里的阻容網絡電路也叫阻容瀉放電路，阻容網絡電路，用于吸收檢測元件電路斷開時產生的自感電動勢，防止檢測元件被燒損。

本發明實施例的機械手控制系統，通過檢測元件實時檢測電機的扭矩，實現三方面的有益效果：第一方面，能夠合理的輸出扭矩，節約電源電能；第二方面，能夠防止電機扭矩過大時，造成電機損壞，有效的保護電機；第三方面，合理的控制電機的扭矩，防止機械手將物體抓壞，以及防止機械手在抓取物體時，物體在機械手中滑出，導致物體摔壞。機械手在抓取物體時，給物體一個合適的摩擦力即可以對不同的物體進行抓取，因此在實際使用中，可以選擇合適的電流預設值，通過比較單元的控制來進行物體的抓取以及物體的釋放。

實施例三

如圖4所示，圖4為本發明實施例三所提供的機械手控制系統的使用狀態示意圖。本實施例將對本發明實施例的機械手控制系統的控制原理進行詳細描述。圖4中，機械手的手掌內部設置有空腔，中央處理模塊、電機、電機驅動單元以及電源可以設置在機械手手掌的空腔內。

機械手在展指狀態下抓握物體以及釋放物體的順序是：屈指-握緊物體-釋放物體并展指-伸直手指。人體在佩戴好本發明實施例的機械手之后，進行如下動作：

(1)屈指：傳感器檢測到人體發出屈指的肌電信號，傳感器將屈指肌電信號傳送給中央處理模塊，中央處理模塊根據屈指肌電信號向電機驅動單元發送屈指電機控制信號，電機驅動單元接收到屈指電機控制信號后控制電機進行正轉運動，即機械手進行屈指動作。與此同時，檢測元件檢測電機輸入端的電流值，檢測元件將電機輸入端的電流值，傳送給比較單元，比較單元將電機輸入端的電流值與比較單元中設置的電流的預設范圍相比較，并將比較結果發送給控制單元，當檢測到肌電信號并且比較結果為電機輸入端的電流值小于或等于預設電流值，向電機驅動單元發出使電機正轉的電機控制信號，電機繼續進行正轉運動，機械手繼續進行屈指動作；

(2)握緊物體：當檢測到肌電信號并且比較結果為電機輸入端的電流值大于預設電流值，比較單元向電機驅動單元發出使電機停止轉動的電機控制信號，電機停止轉動。此時機械手已經握住物體，并對物體的外壁施加了一定的壓力。由于機械手通過螺桿螺母雙層折回傳動機構傳動，螺桿螺母傳動機構具有自鎖功能。因此，在電機停止轉動時，機械手能夠停在當前握緊物體的狀態。

(3)釋放物體并展指：傳感器檢測到人體發出釋放物體并展指的肌電信號，傳感器將釋放物體并展指的肌電信號傳送給中央處理模塊，中央處理模塊根據釋放物體并展指肌的電信號向電機驅動單元發送釋放物體并展指的電機控制信號，電機驅動單元接收到釋放物體并展指的電機控制信號后控制電機進行反轉運動，即機械手進行展動作。與此同時，檢測元件檢測電機輸入端的電流值，檢測元件將電機輸入端的電流值，傳送給比較單元，比較單元將電機輸入端的電流值與比較單元中設置的電流的預設范圍相比較，并將比較結果發送給控制單元，當檢測到釋放物體并展指的肌電信號并且比較結果為電機輸入端的電流值小于或等于預設電流值，向電機驅動單元發出使電機反轉的電機控制信號，電機繼續進行反轉運動，機械手繼續進行展指動作。

(4)伸直手指：當檢測到肌電信號并且比較結果為電機輸入端的電流值大于預設電流值，比較單元向電機驅動單元發出使電機停止轉動的電機控制信號，電機停止轉動。此時機械手的手指已經處于伸直狀態。由于機械手通過螺桿螺母雙層折回傳動機構傳動，螺桿螺母傳動機構具有自鎖功能。因此，在電機停止轉動時，機械手能夠停在當前伸直手指的狀態。

實施例四

本實施例在上述實施例的基礎上，增加了電機控制開關。具體地，本實施例的機械手控制系統中，電機的數量為多個，相應地，電機驅動單元也為多個，每個電機分別對應一個電機驅動單元，電機控制開關用于開啟或者關閉電機，其中，電機控制開關可以設置在電機上，也可以設置在電機驅動單元上，通過控制電機驅動單元的開啟與關閉來間接控制電機的開啟與關閉，這里所說的開啟是指電機處于可接收指令或者說是驅動信號并且可以運轉的狀態，而關閉是指電機無論是否接收到指令或者驅動信號均不會運轉。電機控制開關的數量可以根據實際情況而定，可以僅針對其中的部分電機設置控制開關，也可以對全部電機控制開關，即電機驅動單元中的一個或任意多個或者電機中的一個或任意多個可以分別電連接有電機控制開關。

如圖5所示，在具體的電路實現上，可以將開關串接在電機的供電回路上或者串接在電機驅動單元與中央處理模塊之間的電機控制信號的傳輸回路上(圖5中示出了兩處可以設置開關的位置，選擇一處設置即可)，從而可以實現對電機的開啟和關閉的控制。此外，需要說明的是，該電機控制開關不受中央處理模塊控制，而是將電機控制開關的物理按鍵設置在機械手的外表面，供使用者進行手動控制。

具體地，作為一個通用的機械手，電機的數量為5個，分別對應驅動5個機械手指的動作。如圖6所示，電機控制開關的物理按鍵可以分別設置在每個機械手指上(圖中僅示意性的表示出了在小拇指、無名指和食指的上設置的物理按鍵的位置，實際上，根據需要可以在任意一個手指或者多個手指上設置物理按鍵)，當然作為可選的方式，也可以設置于機械手外表面任意部位，只要能夠讓使用者識別出各個開關是分別控制那個機械手指對應的電機即可。上述提及的物理按鍵可以是按鈕形態也可以是撥動開關等形態，本領域技術人員應當理解，只要是能夠實現開關控制的物理結構都屬于本發明實施例中所提及的物理按鍵的范疇。

在本實施例的控制系統，可以通過針對電機控制開關進行開啟和關閉的控制，再結合屈指和展指的動作，來實現手指的不同形態和功能。例如，可以通過將中指、無名指和小拇指的電機關閉，只保留大拇指和食指，當使用者進行屈指和展指的控制時，只有這兩個指頭運動，可以實現抓取小物體的動作，例如抓鑰匙或者抓小西紅柿等。再例如，可以只開啟食指而關閉其他手指的電機，可以實現單指的動作，可以進行鉤取物體等。總之，使用者可以靈活地對該各個手指進行開啟和關閉，配合屈指和展指的肌肉控制，能夠實現多樣化的手指動作組合。

本領域普通技術人員可以理解：實現上述各方法實施例的全部或部分步驟可以通過程序指令相關的硬件來完成。前述的程序可以存儲于一計算機可讀取存儲介質中。該程序在執行時，執行包括上述各方法實施例的步驟；而前述的存儲介質包括：rom、ram、磁碟或者光盤等各種可以存儲程序代碼的介質。

最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的范圍。