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肌電假手的調(diào)研報(bào)告
肌電控制假手是利用肌電作為控制信號(hào)的動(dòng)力假肢，是一種生物電控制的典型的“人—機(jī)”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(cè)出的肌電位變化作為假手動(dòng)作的控制信號(hào)，控制假手動(dòng)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(chǎng)，也成為上肢假肢研究中的一個(gè)熱點(diǎn)。
調(diào)查過程中，發(fā)現(xiàn)市場(chǎng)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(dòng)假肢；索控式機(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)、傳感器、驅(qū)動(dòng)器和控制系統(tǒng)，只有各個(gè)組成部分有序的工作，才能讓假手完成相應(yīng)的動(dòng)作。下面就此次市場(chǎng)調(diào)查，對(duì)假手的這些組成部分進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析。
1、假手的機(jī)械設(shè)計(jì)
市場(chǎng)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(gè)手指和一個(gè)拇指，形狀如人手。一般地，手里裝有3個(gè)電機(jī)。其中兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)拇指和食指，另外3個(gè)手指是聯(lián)動(dòng)的，由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
手指可采用模塊化設(shè)計(jì)，4個(gè)手指具有相同的結(jié)構(gòu)。食指有3個(gè)可活動(dòng)的關(guān)節(jié)，分別是基關(guān)節(jié)、中關(guān)節(jié)和遠(yuǎn)關(guān)節(jié)。電機(jī)通過減速器驅(qū)動(dòng)基關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過欠驅(qū)動(dòng)連桿將驅(qū)動(dòng)力矩傳遞給中關(guān)節(jié)。中關(guān)節(jié)和遠(yuǎn)關(guān)節(jié)通過連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)耦合運(yùn)動(dòng)，沒有電機(jī)驅(qū)動(dòng)，是被動(dòng)運(yùn)動(dòng)的。中關(guān)節(jié)安裝了扭簧。各個(gè)關(guān)節(jié)處的機(jī)械限位限制關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)部分不同。這3個(gè)手指由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，它們的基關(guān)節(jié)通過彈簧支架安裝在同一個(gè)驅(qū)動(dòng)軸上。
拇指的基關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)是兩個(gè)自由度，即側(cè)擺與張合。為了減少機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性和重量，假手的拇指可設(shè)計(jì)為只有一個(gè)自由度。使用球鉸鏈的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使拇指在從初始位置到最終閉合位置的運(yùn)動(dòng)軌跡形成錐面的形狀，與拇指自然的運(yùn)動(dòng)類似。
4個(gè)手指與拇指相對(duì)運(yùn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)力抓握，如果指尖首先與物體接觸可以實(shí)現(xiàn)捏取。整個(gè)手有3個(gè)自由度，食指和拇指可以獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，其余3個(gè)手指共用一個(gè)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(gè)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(dòng)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(cè)量基關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度?；魻杺鞲衅鞯闹饕獌?yōu)點(diǎn)是體積小，而且它與測(cè)量部分是非接觸的，避免了摩擦產(chǎn)生。
目前較為先進(jìn)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(cè)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(diǎn)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(dòng)器
驅(qū)動(dòng)器的性能對(duì)于人手的設(shè)計(jì)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(dòng)器有關(guān)。市面上采用的驅(qū)動(dòng)器也有很多種，PORTECAP的17N78—216E直流電機(jī)就是其中的一種，該電機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)8500r/min,連續(xù)轉(zhuǎn)矩5.69mN·m，堵轉(zhuǎn)力矩12.5mN·m。電機(jī)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(jī)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(jī)或計(jì)算機(jī)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(hào)的采集處理、傳感器數(shù)據(jù)采集、濾波、電機(jī)控制等任務(wù)。
假手的控制器應(yīng)具有自動(dòng)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(gè)DSP分別在兩塊電路板上。一塊電路板是假手運(yùn)動(dòng)控制板，用于假手本體的控制，一塊是EMG信號(hào)處理板，用于肌電信號(hào)的識(shí)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(gè)手指的協(xié)調(diào)動(dòng)作控制。假手運(yùn)動(dòng)控制板上包含了微處理器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(hào)處理板的功能是對(duì)肌電信號(hào)進(jìn)行采集、預(yù)處理和實(shí)現(xiàn)模式分類算法，識(shí)別后將控制命令通過接口發(fā)送給假手運(yùn)動(dòng)控制板，控制假手的動(dòng)作。
以上就是對(duì)假手各個(gè)部分的介紹和簡(jiǎn)要分析。
肌電控制假手作為一個(gè)真正的“人—機(jī)”系統(tǒng)，其信號(hào)提取簡(jiǎn)單，控制準(zhǔn)確率高，具有廣闊的應(yīng)用前景和市場(chǎng)。但目前這樣的假手仍然處于研究、完善階段，市場(chǎng)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(jiǎn)單笨拙，自由度少，外形難看，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)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。