基于CyberGlove数据手套的嵌入式欠驱动假肢手控制系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于仿生机器人相关技术领域，更具体地，涉及一种基于CyberGl0ve数据手套的嵌入式欠驱动假肢手控制系统。
【背景技术】
[0002]假肢手以其运动拟人和结构紧凑等优点获得了广阔的发展前景。特别是作为近期热门研究的欠驱动假肢手，由于具备轻便的外形和控制简单的特性，因而在医疗假肢手、现代化工业生产、高危复杂作业等多个领域获得了广泛应用。例如，国内哈尔滨工业大学研发了一款基于蓝牙无线通信的多自由度假手语音控制装置，其可以通过语音控制假手进行相应的运动，并实现嵌入式的多自由度肌电假肢控制功能。
[0003]然而，进一步的研究表明，上述现有的假手仍然存在以下的缺陷或不足:首先，它所预设的运动模式数量往往有限，导致无法完全灵活和高精度地执行各类复杂操作，也很难复现人手的动态协调规律；其次，目前用于欠驱动假肢手的控制方案一般采用多轴伺服控制系统，其虽能满足一般的运动控制要求，但其使用的计算机插接卡接口体积过于庞大，硬件构造复杂，在实践应用时导致了多种的不便，并直接影响到假肢手的应用灵活性。因此，在本领域亟需对欠驱动假肢手的运动控制方案作出进一步的设计，以便更好地满足日益增长的实际工况需求。
【发明内容】
[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于CyberGlove数据手套的嵌入式欠驱动假肢手控制系统，其中通过对其多个关键组件的具体电路构造以及控制方式进行设计，相应能够更为结构紧凑、便于操控地实现对欠驱动灵活手的运动控制，克服其局限于事先设定好的少数控制模式和硬件电路过于庞大等缺陷，同时可显著提高在各类实际应用时的动作精确性和适用性。
[0005]为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于CyberGlove数据手套的嵌入式欠驱动假肢手控制系统，其特征在于，该嵌入式欠驱动假肢手控制系统包括CyberGlove数据手套、上位机、假肢手电机组件、指尖力传感器组件和集成控制单元，其中:
[0006]所述CyberGlove数据手套为使用者所佩戴，并基于实际工况需求实时输出包括关节角和关节运动角速度在内的各类人手运动实时数据，然后通过无线传输的方式发送给所述上位机；
[0007]所述上位机接收来自所述CyberGlove数据手套的实时数据，并提供包括关于抓取模式、手指抓取/松开动作和电机位置/速度调整在内的各类指令，然后通过无线传输的方式继续发送给所述集成控制单元；
[0008]所述假肢手电机组件由四个直流有刷电机共同组成，它们集成安装在作为控制对象的欠驱动假肢手的手掌内部，分别为用于实现拇指翻转运动的第一电机、用于实现拇指弯曲运动的第二电机、用于同时实现食指和中指弯曲运动的第三电机，以及用于同时实现无名指和小指弯曲运动的第四电机；所述指尖力传感器组件由五个压力传感器共同组成，它们各自集成安装在欠驱动假肢手的五个手指末端，并分别用于对各个手指运动过程中垂直于指尖面的应力数据执行实时检测；
[0009]所述集成控制单元呈集成电路板的形式嵌入安装在欠驱动假肢手的内部，并包括无线收发模块、电机速度检测模块、电机电流检测模块、指尖力检测模块、主控制器和功率放大模块，其中该无线收发模块接收来自所述上位机的实时信息和各类指令，并将其输送至所述主控制器；该电机速度检测模块和电机电流检测模块分别对所述假肢手电机组件中各个直流有刷电机的速度数据和电流数据执行实时检测，然后各自反馈至所述主控制器；该指尖力检测模块将所述指尖力传感器组件实时检测的应力数据执行信号放大，并同样反馈送至所述主控制器；该主控制器按照上述接收到的数据和指令，相应形成多路PWM波输出至所述功率放大模块；该功率放大模块则将对这多路PWM波分别执行功率放大，然后为所述假肢手电机组件中的各个直流有刷电机分别提供相应的电机驱动电流，以此方式使得欠驱动假肢手实时、精确地跟随使用者的各类人手运动。
[0010]作为进一步优选地，所述电机速度检测模块的数量优选为2个，并且它们各自为将差分信号转换为单端信号的差分接收器；所述电机电流检测模块的数量优选为4个，并且它们各自包括用于将共模差分电压信号方法20倍的电流检测放大器和阻值为0.15欧姆的检流电阻。
[0011]作为进一步优选地，所述指尖力传感器组件的五个压力传感器优选为桥式应变片，所述指尖力检测模块相应优选为用于桥式应变片的共模差分电压信号执行放大的单
J L ο
[0012]作为进一步优选地，所述主控制器优选采用单块的DSP控制器；所述功率放大模块的数量为2个，它们各自用于将所述主控制器输出的PffM波执行功率放大至12伏，并提供至少单路1.4安的电机驱动电流。
[0013]总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点:
[0014]1、通过采用数据手套来实时采集人手运动信息，并通过高度集成在欠驱动假肢手内部的集成控制单元来控制假肢手实时跟随数据手套发送来的信息，相应能够使得假肢手完全跟随人手的动作，并具备结构紧凑、无需使用计算机插接卡等附件，操控灵活方便等优占.
[0015]2、尤其是，本发明中通过对作为关键组成部件的集成控制单元及其相应组件在内部构造和设置方式方面的设计和改进，不仅能够采用一块80mmX65mmX7mm即可完全嵌入到欠驱动假肢手内部，降低了电路复杂性和硬件要求，而且还在满足系统控制要求的情况下，能够有效克服假肢手动作仅局限于事先设定的少数几种模式的缺点，很好地复现人手的动态协调规律，显著提高各类复杂动作的精确性和适用性；
[0016]3、本发明中还对控制系统的一些关键性能参数、类型和元件布置位置进行了针对性设计，测试表明能够有效满足各类领域的应用需求，而且数据手套与上位机之间的连接以及上位机与假肢手集成控制电路之间的连接均采用了无线的方式，从而使得假肢手的应用范围更为广泛，操作更为方便。
【附图说明】
[0017]图1是按照本发明所构建的嵌入式欠驱动假肢手控制系统的整体组成结构示意图；
[0018]图2是按照本发明优选实施例的各个假肢手驱动电机和指尖力传感器的位置安装示意图；
[0019]在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中:
[0020]1:CyberGlove数据手套2:上位机3:集成控制单元4:假肢手电机组件5:指尖力传感器组件3-1:无线收发模块3-2:主控制器3-3:功率放大模块3-4:电机速度检测模块3-5:电机电流检测模块3-6:指尖力检测模块3-7:电源模块3-8:状态指示模块3-9:电池电量监测模块4-1:第一电机4-2:第二电机4-3:第三电机4_4:第四电机5-1:拇指指尖压力传感器5-2:食指指尖压力传感器5-3:中指指尖压力传感器5-4:无名指指尖压力传感器5-5:小指指尖压力传感器
【具体实施方式】
[0021]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0022]图1是按照本发明所构建的嵌入式欠驱动假肢手控制系统的整体组成结构示意图。如图1中所示，该嵌入式欠驱动假肢手控制系统主要包括CyberGlove数据手套1、上位机2、假肢手电机组件4、指尖力传感器组件5和集成控制单元3，并通过对其中一些关键组件的内部电路组成、互相连接方式、安装位置设置以及重要性能参数等多个方面的研究和设计，相应期望达到实现假肢手完全跟随人手的运动，克服了对于假肢手的控制只局限于事先设定好的少数几种模式的缺点，拓展假肢手的应用领域等技术目的。
[0023]具体而言，CyberGlove数据手套I譬如可采用CyberGlove系统公司第三代产品，其为使用者所佩戴，并基于实际工况需求实时输出包括关节角和关节运动角速度在内的各类人手运动实时数据，然后通过无线传输的方式发送给所述上位机2 ;在此过程中，上位机与数据手套之间保持进程间通信，并继续通过无线传输的方式发送给集成控制单元3，为假肢手的运动提供原始轨迹。
[0024]上位机2配合接收来自所述CyberGlove数据手套I的实时数据，并将其继续通过无线方式输送给集成控制单元3。此外，在系统出现意外或不需要假肢手实时跟随人手运动的情况下，该上位机也可脱离数据手套单独发送控制指令；使用过程中包括选择抓取模式、发送抓取指令、发送松开指令、发送单个电机独立运动时的位置指令或速度指令等。当用户每次戴上数据手套时，每个关节角的传感器初始位置不尽相同，上位机可为此提供数据手套的校准功能。
[0025]参见图2，假肢手电机组件4由四个直流有刷电机共同组成，譬如可采用直径为1mm的直流有刷电机，它们集成安装在作为控制对象的欠驱动假肢手的手掌内部，分别为用于实现拇指翻转运动的第一电机4-1、用于实现拇指弯曲运动的第二电机4-2、用于同时实现食指和中指弯曲运动的第三电机4-3，以及用于同时实现无名指和小指弯曲运动的第四电机4-4 ;所述指尖力传感器组件5譬如可采用Honeywell公司FSS-SMT系列压力传感器，并由五个压力传感器共同组成，它们各自集成安装在欠驱动假肢手的五个手指末端，具体包括拇指指尖压力传感器5-1、食指指尖压力传感器5-2、中指指尖压力传感器5-3、无名指指尖压力传感器5-4、小指指尖压力传感器5-5，由此分别用于对各个手指运动过程中垂直于指尖面的应力数据执行实时检测。
[0026]更具体地，按照本发明的一个优选实施例，上述第一电机4-1的减速比