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肌電假手的調(diào)研報告 肌電控制假手是利用肌電作為控制信號的動力假肢，是一種生物電控制的典型的“人—機”系統(tǒng)。其工作原理是利用殘肢者手臂上的殘端肌肉中檢測出的肌電位變化作為假手動作的控制信號，控制假手動作，從而代替人軀體上失去的手臂。與其它方式控制的假手比起來具有很多的優(yōu)越性，因而受到患者的青睞，擁有廣闊的市場，也成為上肢假肢研究中的一個熱點。 調(diào)查過程中，發(fā)現(xiàn)市場上除了有我們現(xiàn)在介紹的肌電控制假手之外，還有其它很多種類的假手：開關(guān)控制（壓控式）電動假肢；索控式機械假肢；骨骼式裝飾假肢；混合式上臂假肢；肘離斷混合假肢等等。從產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)上，絕大部分的假手都應(yīng)具備：假手的機械結(jié)構(gòu)、傳感器、驅(qū)動器和控制系統(tǒng)，只有各個組成部分有序的工作，才能讓假手完成相應(yīng)的動作。下面就此次市場調(diào)查，對假手的這些組成部分進行簡要的分析。 1、假手的機械設(shè)計 市場上的假手有三指的，四指的，也有五指的，為了能更好的模仿真人手的功能，五指假手的研究的比較多。五指包括四個手指和一個拇指，形狀如人手。一般地，手里裝有3個電機。其中兩個電機分別驅(qū)動拇指和食指，另外3個手指是聯(lián)動的，由一個電機驅(qū)動。 手指可采用模塊化設(shè)計，4個手指具有相同的結(jié)構(gòu)。食指有3個可活動的關(guān)節(jié)，分別是基關(guān)節(jié)、中關(guān)節(jié)和遠關(guān)節(jié)。電機通過減速器驅(qū)動基關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，并通過欠驅(qū)動連桿將驅(qū)動力矩傳遞給中關(guān)節(jié)。中關(guān)節(jié)和遠關(guān)節(jié)通過連桿機構(gòu)實現(xiàn)耦合運動，沒有電機驅(qū)動，是被動運動的。中關(guān)節(jié)安裝了扭簧。各個關(guān)節(jié)處的機械限位限制關(guān)節(jié)的運動范圍。中指、無名指和小指的結(jié)構(gòu)和食指相同，只是驅(qū)動部分不同。這3個手指由一個電機驅(qū)動，它們的基關(guān)節(jié)通過彈簧支架安裝在同一個驅(qū)動軸上。 拇指的基關(guān)節(jié)運動是兩個自由度，即側(cè)擺與張合。為了減少機構(gòu)的復(fù)雜性和重量，假手的拇指可設(shè)計為只有一個自由度。使用球鉸鏈的傳動機構(gòu)，使拇指在從初始位置到最終閉合位置的運動軌跡形成錐面的形狀，與拇指自然的運動類似。 4個手指與拇指相對運動可以實現(xiàn)強力抓握，如果指尖首先與物體接觸可以實現(xiàn)捏取。整個手有3個自由度，食指和拇指可以獨立運動，其余3個手指共用一個自由度。自由度的增加大大提高了假手的靈活性。 2、傳感器 傳感器用于提供手指位置、力矩等信息。在每個手指的基關(guān)節(jié)和指尖上分別安裝了基于應(yīng)變片的一維力矩傳感器。拇指、食指和三指聯(lián)動的基關(guān)節(jié)上安裝位置傳感器。位置傳感器基于霍爾效應(yīng)，用來測量基關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度。霍爾傳感器的主要優(yōu)點是體積小，而且它與測量部分是非接觸的，避免了摩擦產(chǎn)生。 目前較為先進的還有觸覺傳感器與滑覺傳感器聯(lián)合使用。觸覺傳感器主要用來檢測物體與手指是否接觸，以通知滑覺傳感器開始工作或停止工作。觸覺傳感器的種類是多種多樣的，有點式、棒式、緩沖器式、平板式、環(huán)式。常用的滑覺傳感器是轉(zhuǎn)輪式滑覺傳感器。 3、驅(qū)動器 驅(qū)動器的性能對于人手的設(shè)計非常重要，手的重量，功耗，抓取力的大小，噪聲等很多指標(biāo)都與驅(qū)動器有關(guān)。市面上采用的驅(qū)動器也有很多種，PORTECAP的17N78—216E直流電機就是其中的一種，該電機轉(zhuǎn)速可達8500r/min,連續(xù)轉(zhuǎn)矩5.69mN·m，堵轉(zhuǎn)力矩12.5mN·m。電機與假手上的行星齒輪減速器安裝在一起，后端安裝磁碼盤。查閱相關(guān)的資料，得知，這樣的電機能滿足手指的抓握要求。 4、控制系統(tǒng) 傳統(tǒng)的多自由度假手控制系統(tǒng)一般采用單片機或計算機作為主控制器，其功耗和體積較大，處理速度較慢，接口功能有限，不適合于假手的嵌入式、低功耗應(yīng)用。另一方面，假手的控制器需要處理的數(shù)據(jù)量大，包括肌電信號的采集處理、傳感器數(shù)據(jù)采集、濾波、電機控制等任務(wù)。 假手的控制器應(yīng)具有自動控制的功能，這樣可以減少使用者控制假手的難度，為了提高數(shù)據(jù)處理能力，控制器采用了雙處理器結(jié)構(gòu)，兩個DSP分別在兩塊電路板上。一塊電路板是假手運動控制板，用于假手本體的控制，一塊是EMG信號處理板，用于肌電信號的識別。假手本體的控制包括手指的位置控制和力控制以及各個手指的協(xié)調(diào)動作控制。假手運動控制板上包含了微處理器、電機驅(qū)動器。微處理器采用了TI的TMS320F2810.這也是最常用的一種微處理器。EMG信號處理板的功能是對肌電信號進行采集、預(yù)處理和實現(xiàn)模式分類算法，識別后將控制命令通過接口發(fā)送給假手運動控制板，控制假手的動作。 以上就是對假手各個部分的介紹和簡要分析。 肌電控制假手作為一個真正的“人—機”系統(tǒng)，其信號提取簡單，控制準(zhǔn)確率高，具有廣闊的應(yīng)用前景和市場。但目前這樣的假手仍然處于研究、完善階段，市場上出現(xiàn)的成品還不能滿足殘肢者的要求，主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)簡單笨拙，自由度少，外形難看，控制系統(tǒng)簡單等，因此，要真正研制生產(chǎn)出與人手一樣功能的肌電假手還需要技術(shù)人員的不斷努力。