被设定为256:1，第二电机4-2的减速比为64:1，第三电机4-3和第四电机4_4的减速比为16:1，功率均为2.81ff0
[0027]集成控制单元3在本发明中被设计为呈集成电路板的形式，并嵌入安装在欠驱动假肢手的内部，以便在解决现有设备硬件电路过于庞大的同时，还能够更为高效、精确和灵活地执行各类复杂动作的跟随控制。其包括无线收发模块3-1、电机速度检测模块3-4、电机电流检测模块3-5、指尖力检测模块3-6、主控制器3-2和功率放大模块3-3，下面将逐一对其功能组件进行说明。
[0028]该无线收发模块3-1譬如可采用TI公司CC2541芯片，工作在2.4GHz下，能够接收上位机发送的数据和指令，也可以将假肢手的实际运动状态发送给上位机。
[0029]该电机速度检测模块3-4譬如可采用两个相同的模块，每个模块可处理两个驱动电机的编码器脉冲信号，并优选为能够将差分信号转化成单端信号的差分接收器AM26LV32E芯片，将电机编码器的差分信号转化成单端信号，便于主控制器使用2个QEP电路和4个捕获引脚检测电机的速度，由此实现对假肢手电机组件4中各个直流有刷电机的速度数据的高灵敏检测，然后各自反馈至主控制器3-2。
[0030]该电机电流检测模块3-5譬如可采用四个相同的模块，每个模块优选使用一个能够将微弱共模差分电压信号放大20倍的电流检测放大器(如ADI公司的AD8418芯片)和I个0.15 Ω的检流电阻，检流电阻能够将电流信号转换成电压信号，AD8418本身具有滤波、20倍放大和共模抑制功能，以此方式，电机电流经过电机电流检测模块3-5后转变成主控制器3-2能够精确检测到的电压信号。
[0031]该指尖力检测模块(3-6)可采用四个相同的模块，用于将所述指尖力传感器组件
(5)实时检测的应力数据执行信号放大，并同样反馈送至主控制器3-2。作为示例，它可以采用能够将桥式应变片的共模差分电压信号放大19.3倍的精密仪表放大器(主芯片为ADI公司的AD8226和AD8426)，使得有效电压落在0-3.3V范围之内，从而便于供主控制器3_2检测。
[0032]该主控制器3-2按照上述接收到的数据和指令，相应形成多路PffM波输出至功率放大模块3-3 ;作为一个优选例，它可以采用TI公司型号为TMS320F28069的单块DSP控制器，只有100个引脚，体积较小，可减少PCB面积，且包括至少2个QEP输入接口、4个捕获引脚、4路PffM波输出、一个CPU定时器、一个串口外设、9个AD接口、9路I/O。更具体地，其中2个QEP接口电路和4个捕获引脚与电机速度检测模块3-4的输出相连。4路PffM波输出与功率放大模块3-3的输入端相连。串口外设与无线传输模块3-1相连。9个AD接口分别与电机电流检测模块3-5、指尖力检测模块3-6、电池电量监测模块3-9的输出端相连。9路I/O分别与功率放大模块3-3、状态指示模块3-8的输入端相连。
[0033]该功率放大模块3-3优选为两个相同的模块，使用的主芯片为ST公司L6227Q，每个芯片有两个直流有刷电机的接口，有四个PffM波输入接口 ；相应地，将对这多路PWM波分别执行功率放大，然后为假肢手电机组件4中的各个直流有刷电机分别提供相应的电机驱动电流。在一个优选例中，PWM波进行功率放大至12V，并提供至少单路1.4A的电机驱动电流。
[0034]此外，上述集成控制单元还包括有用于为所有其他组成模块提供工作电源的电源模块3-7。它譬如可使用LM4132-3.3V芯片和LM4132-5.0V芯片，将12V的电源电压分别转换成3.3V和5.0V,为集成电路的其他所有模块供电，各能提供500mA电流。
[0035]按照本发明的优选实施例，上述集成控制单元还可以配备有例如由3个蓝色LED、I个红色LED、一个绿色LED组成组成的状态指示模块3-8 ;用于将电池电压分压缓冲后输入主控制器进行检测的电池电量监测模块3-9等；这些可选配的模块具体结构在此不再赘述。
[0036]下面将具体解释按照本发明的运动控制系统的工作原理。
[0037]首先打开数据手套1，并组建讯网络；操作者穿戴数据手套I后可以打开上位机进行数据手套的校准；上电集成控制单元，假肢手进行初始化操作；接着，可选择实时跟随模式，操作者开始抓取物体，假肢手实时跟随数据手套发送的人手运动信息抓取物体；一旦指尖力传感器模块3-6检测到假肢手接触到物体，集成控制单元便可以切换跟随模式为力控制模式，实现假肢手的稳定抓取。
[0038]综上，本发明所提供的嵌入式欠驱动假肢手控制系统，可以使假肢手全程自动跟随人手运动抓取各种各样的物体，使其运动不受事先设定的模式的限制，同时具备结构紧凑、便于操控等优点。此外，控制单元可以集成于一块80mmX65mmX7mm的电路板上，高度集成且完全嵌入到欠驱动假肢手内部；在满足系统控制要求的情况下使得DSP资源得到充分利用，降低了电路复杂性和硬件成本，便于假肢手的推广。
[0039]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种基于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(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)，其中: 所述CyberGlove数据手套(I)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⑵； 所述上位机(2)接收来自所述CyberGlove数据手套(I)的实时数据，并提供包括关于抓取模式、手指抓取/松开动作、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(3); 所述假肢手电机组件(4)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(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)由五个压力传感器(5-1，5-2，5-3，5-4，5-5)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； 所述集成控制单元(3)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(3-1)、电机速度检测模块(3-4)、电机电流检测模块(3-5)、指尖力检测模块(3-6)、主控制器(3-2)和功率放大模块(3-3)，其中该无线收发模块(3-1)接收来自所述上位机(2)的实时信息和各类指令，并将其输送至所述主控制器(3-2);该电机速度检测模块(3-4)和电机电流检测模块(3-5)分别对所述假肢手电机组件⑷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(3-2);该指尖力检测模块(3-6)将所述指尖力传感器组件(5)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(3-2);该主控制器(3-2)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(3-3);该功率放大模块(3-3)则将对这多路PffM波分别执行功率放大，然后为所述假肢手电机组件(4)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。2.如权利要求1所述的嵌入式欠驱动假肢手控制系统，其特征在于，所述电机速度检测模块(3-4)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(3-5)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。3.如权利要求1或2所述的嵌入式欠驱动假肢手控制系统，其特征在于，所述指尖力传感器组件(5)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(3-6)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元。4.如权利要求1-3任意一项所述的嵌入式欠驱动假肢手控制系统，其特征在于，所述主控制器(3-2)优选采用单块的DSP控制器；所述功率放大模块(3-3)的数量为2个，它们各自用于将所述主控制器输出的PWM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。
【专利摘要】本发明公开了一种基于CyberGlove数据手套的嵌入式欠驱动假肢手控制系统，包括用于提供人手原始运动数据的CyberGlove数据手套、用于无线传送原始运动数据和指令控制的上位机、用于驱动执行假肢手各类动作的电机组件以及集成控制单元，其中集成控制单元呈集成电路板的形式嵌入安装在假肢手的内部，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。通过本发明，能够结构紧凑、便于操控地实现对欠驱动假肢手的运动控制，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。
【IPC分类】B25J3/00, A61F2/70, B25J9/18
【公开号】CN105127973
【申请号】CN201510581208
【发明人】熊蔡华, 闫士杰, 贺磊, 黄耀斌, 陈文锐, 孙柏杨
【申请人】华中科技大学
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年9月14日