英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

使用单致动器肌电臂手和手腕动作的设计方案

摘要：本文涉及展现像真实人手指和手腕旋转闭合运动的许多功能性假肢肌电手的发展。假手的这种双重运动是由一个单一的直流电动机控制的。肘部以下肢体缺失的截肢者可以安装该假手以适应原来的部位，并可以通过肌电电极刺激肌肉做一些多自由度的手部操作。修复的一类人，像张开手，合拢手，抓东西，提起重量不同的物体都可以像真实的人手一样。主要的设计考虑到包括自由度，致动器的数目，致动器的能量，可靠性，电子控制，重量的轻重，经济上的可行性，手腕的旋转，可变夹紧力的模式，以及方便与肢体结合的零件。基于EMG信号的耦合逻辑使用电磁离合器与直流电机和微控制器，根据抓紧力的产生和腕的旋转赋予新功能的设备。这将有益于机器人和假肢产业。

关键词：假手 肌电图 可变握力 转动手腕 微控制器 电磁离合器

1.引言
假肢通常被肢体损失（后天截肢）和肢体缺失（先天不足）的人使用以便来恢复一些组织肢体的功能。如果上肢假肢能够真正取代人的手和手臂，医疗专业人士的工作将很容易。不幸的是，假肢只能执行一些我们的胳膊和手的功能性运动。Heger等【1】讨论了三种目前可获得的上肢截肢者假肢：第一，身体供电和电缆操作器具用分流钩或手作为一个终端装置；第二，一个肌肉传感器（肌电）的电动假肢，如图奥野等人【2】的控制，或者通过微动开关的假肢；第三，化妆品替代一个被动的手。理想的情况下，上肢假体应该补偿手的精细协调运动的损失，提供触觉反馈，并且具有美感。这项技术的研究包含了许多有关假手的设计。通过潘松【3】开发的数字控制假手已充分阐述腕关节有四个同时移动的手指和拇指。掌部通过球窝连接的下端被连接到前臂。提供用于手指和拇指连接到电动机的电缆驱动器。螺旋驱动和开槽的转子在手腕机构中使用。该系统体积庞大，需要四个步进电机驱动手和手腕进行控制。艾弗森等【4】人开发了一种包括各种螺纹机构和连杆机构的人工臂。肘的动作和控制是通过肌电图（EMG）信号进行。手的弯曲，收缩，和手腕的旋转动作由手动控制。雅格【5】发明的假手肌电控制有三个电机肘、腕、手，从而使系统体积大。艾弗森等【6】人开发的假肢，使用超声波马达，包括配置为移动假肢的驱动装置。一种超声波驱动电机被连接到驱动连杆机构和转动手腕。该系统有2个马达，一个用于每个手指和手腕，另一个增强的功能性假肢由芬克等【7】人开发，它可以由身体供电或电动机供电，掌握腕关节的锁定能力和三度的自由度和动态抓取控制，但运动是手动和电缆线束控制。Nagai等【8】人讨论一三指手–手腕柔顺运动采用直流伺服电机和齿轮以及力传感器的发展。对其性能的运动能力的机制进行了研究。Reddy和Gupta 【9】建立直接的生物控制的概念，其操作的手指和手腕运用表面肌电信号跟肌肉关节模型。他们还设计了一些手指和腕关节的计算机模型。在他们的研究中，武田等【10】人研制出一种用手和肌腱驱动的腕关节。五指手是借助肌肉型气动执行器的橡胶气球，其手腕肌腱驱动的运动是通过使用两个小电机控制与模糊逻辑进行。geethanjali等【11】人研制的四通道肌电信号采集系统，将其应用于手、腕关节运动。所有的肢体运动，实现了三个直流电机驱动。库马尔等【12】【13】人提出了一种新的和具有成本效益的技术来控制人工手的正常的抓地力。他们的分析基于其强度的残端肌肉肌电信号分析。ryait等【14】人研究了手/腕的不同位置处的表面肌电信号，并提出了一种采用单参数（斜率）和多声道的控制策略。该技术可以扩展到控制不同的肌电信号控制的机器人系统。 栗田等【15】人提出了一种在手腕上可拆卸的机械手的人形机器人手。手有手腕和四个手指，这是由各种执行器放置在手臂驱动的电线。该设计使手腕机构可拆卸的手和手臂部分 分开的维修。kyberd等【16】人提出的一二自由度关节手腕，电用手臂置于两电机。手腕有可能改善任何人工手的功能。Friedl等【17】人分析不同的弹簧和凸轮组合来实现所需的扭矩–刚度特性的生物动机的机器人手臂。将利用各种电机提供运动的手腕和前臂。电机故障的情况下，对电机冗余的系统进行了评价。controzzi等【18】人提出了一种具有手部紧密结合的上肢假肢的初步设计。手有20个自由度和11个马达，而手腕是肌腱驱动的远程执行器。手能够操纵和执行稳定的把握。艾哈迈迪【19】等提出了一种拟人机器人手有五个手指和手腕的关节假手的潜在用途。手腕和个别手指是由独立的直流齿轮马达驱动。肌腱驱动的设计，如位置不准确，使人类的规模大小的问题被克服。车和张【20】提出一个手势多变的欠驱动手II具有五个手指，其肌腱机制由直流电机驱动，和上肢的运动是由步进电机驱动。抓取功能提高了机器人的能力，实现仿人操作。基于以上研究，可以得出一些可用的系统，动作像手弯曲，收缩，和手腕的转动都是手动的，受控于线束和弹簧，从而放慢机制。使用一段时间后，和手指没有区别。很少系统需要控制的2个或多个电机驱动的手和手腕机制。此外，变握力量由肌肉不确定和不用于抓取和释放对象。许多控制所需的电脉冲从源头或压力开关和不使用肌电图或生物信号。假肢行业是在医疗领域的研究和发展和世界人口的增长，需要这种类型的设备修复截肢的人。

2.目标和设计考虑
这是一个人工电方面类似于人的手的动作发展的需要，就像开手指和手腕的转动采用肌电信号关闭功能。它应该使用更轻、经济上可行的最低数量的驱动器，它应该根据大小和抓在手上的物体重量变握力模式。目前可用的设备的主要问题之一是缺乏自由度。市售的人工假体装置以及多功能方面的设计是提供人的手最好的操纵能力。这里主要提出的研究的目的是为了提供一个与假手相似的大小和结构，人手的一个设计的方法，具有精确的运动控制的运动履行正常的控制要求的同时，考虑上述因素的影响。在这里，手指和手腕的运动控制由使用表面电极从人的残端肌肉获得的肌电信号。另一个目的是开发一个假手应无松动部件。弹簧和电线，可以使用一个单一的电机，使设备的整体重量可以减少。此外，增加的自由度需要分别控制执行器。所以在 现阶段的设计方法，设计主要考虑的是提供一个离合器操作的电子手，其中双运动手指和手腕的转动是由一个单一的直流电机通过肌电信号激活控制。其他设计考虑，包括功率驱动器、电子控制、经济活力，以及附着肢体放松。

3.全球现有技术
在市场存在相对较少的肌电控制存在的SES。触摸仿生，领先的肌电假肢的开发商，产品如i-limb。信号处理是使用 专门的编程软件，通过触摸仿生来读取幻象肢体信号。Phan汤姆肢体信号通过现有的神经通路产生的软件用于触发特定的手反应【21】。手有充分运作的关节和复制的27个自由度的许多。另一个流行的假体是Otto Bock手【22】。Otto Bock，领先的假肢行业，开发了不同类型的微机肌电假肢。速度和抓地力是由残端肌肉信号的水平，使用一个紧凑的传感器。一个肌肉信号，速度和抓地力之间 的比例关系密切模仿自然的手。双马达，每一个手指运动和棘轮为基础的手腕运动。犹他州的U3臂是最有效的修复【23】相比，Otto Bock和i-limb。双马达控制手，腕关节和肘关节运动。基于微处理器的电路控制速度和抓地力。
4.系统描述
在本设计中，手部动作，如开，闭合，不同重量的对象的重量与可变的抓地力，和手腕的旋转是由一个单一的刷直流并联电机控制，其次是电磁离合器与齿轮组件铰 接。图1示出了手的结构和电子积木的相关性的方框图。从两个对立的手臂肌肉产生的肌电信号由模拟电子信号处理单元1和2处理，并与两个模拟通道模拟数字转 换器与单片机通过双向数据总线和单向反馈。直流电机驱动电路和继电器开关接口与微控制器通过控制线提供的手和手腕的动作。该单片机还监测了四个限位开关的 状态。脉冲整形电路与电机驱动器连接，以控制脉冲的占空比。手指和手腕旋转的速度和转矩的旋转取决于软件程序，根据从双电极获得的肌电信号的强度。手的设 计与不同的抓地力水平类似于一个自然的手。电源单元是一个电池连接的调节系统，它提供了所有的电子电路的功率。图2显示的是手指和拇指的装配连接的手腕。一对手指被一个连接的连接件用拇指连接。连接器的扩展引脚之间的槽的手指扩展，从一个极端到另一个，在打开和关闭操作。手腕机构包括内啮合齿 轮等齿轮提供转动手腕。图3显示了由直流电机通过丝杠机构驱动手指夹持系统，进一步关闭和打开的手指和拇指。两个电磁离合器安装在关节与轴向轴齿轮和用于 接合和断开电机驱动用手腕和手指。使用此配置，只需一人操作，即要么手腕转动或手指夹，可一次完成。当从事，电磁clutch-1带动手指在电磁 clutch-2带动手腕。当电机被驱动的齿轮传递运动的电磁clutch-1当它被激活，从而进一步调动运动的手指和拇指通过丝杠螺母机构。同样，当电 磁clutch-2被激活，它将运动到手腕。限位开关（2，1，3，4）用于控制手腕的旋转和手的开闭。图4显示了电子控制电路的布局。它由模拟到数字转 换器、单片机、继电器开关、电机驱动器、限位开关连接器，输入信号和电源连接器，连接器等。

5.方法
两肌电电极集获得的分微伏量级的肌肉信号。信号通过模拟肌电信号处理单元处理（1、2）振幅V1和V2。这些信号被馈送到两个 模拟输入通道ADC。V1从肌电信号处理单元1和V2的肌电电压水平从肌电信号处理单元2肌电电压水平。这些信号被连续地进行比较，直到其中一个比另一个 更高。如果v1大于v2，手掌关闭行动发生如图5所示。在这种情况下，三的阈值电压水平Vmax高抓地力，VMID中握，值低抓地力的使用。阈值电压水平 vopen用于打开手掌，vanticlk用于逆时针转动手腕，并顺时针转动手腕VCLK。双套限位开关标志用于开启、关闭和手腕旋转，如下所示：

1. lopen用于限位开关打开国旗，其价值是“高”和“低”的时候，默认最大开度达到极限。
   2.lclose用于关闭限位开关标志，其价值高和低时关闭默认最大达到极限。
2. lanticlk用于逆时针转动手腕开关标志，其值为默认的高，当逆时针转动手腕的最大极限了。
   4.lclk用于顺时针转动手腕开关标志，其值为默认的高，当最大的顺时针转动手腕达到极限。任何活动前，限位开关标志的状态进行检查和监测。
   5.用变握的手掌
   如果V1、V2、限位开关的lclose状态检查。如果lclose高，那么继电器开关设置和从事离合器负责经营棕榈和脱离另一个。输入信号与三个不同的阈值水平，Vmax和Vmin，vmid。三条件出现如下：
   一）Vminle;V1 lt; VMID
   驱动控制线被设置为最小的抓地力和关闭方向。在这种情况下，最小的电流通过电动机的电枢。输出转矩成正比的电枢电流（Tinfin;我），所以最后夹具产生的扭矩低，即低抓地力。
   b）le;vmid V1 lt; Vmax
   与所述情况相同，但电枢电流的量要高于前一个。因此，所产生的转矩在端爪是中等，即，中等的抓地力。
   c）V1ge;Vmax
   与乙的规定相同，但电枢电流的量远高于前一个。因此，所产生的扭矩在端爪是最大，即，高抓地力。
   5.2打开手掌和手腕旋转
   如果V2＞V1，三出现如下：
   一）vopenle;V2＜vanticlk
   限位开关的状态检查LOPEN。如果LOPEN高，继电器开关设置和从事负责经营棕榈离合器脱离其他。单片机设置最大速度为同一开方向的驱动控制线路。
   b）vanticlkle;V2＜VCLK
   限位开关的lanticlk状态检查。如果lanticlk高，继电器开关复位与负责手腕操作离合器脱离其他。微控制器设置的驱动程序控制线为最大的逆时针旋转速度和设置相同的方向。
   c）V2ge;VCLK
   限位开关的LCLK的状态检查。如果LCLK高，继电器开关复位，使手腕操作离合器负责，脱离其他。微控制器设置的驱动控制线为最大顺时针旋转速度和设置的方向相同。
   6.规格

工作电压：12伏
电流消耗：260毫安时无抓地力，750毫安时完全握
最大开口宽度为手掌：100毫米
手腕旋转：90
最大重量可抓：1.5公斤
平均的手指打开速度：18毫米/秒（约）
手的重量：460克
手术：肌电图信号
7.结果与讨论
该 设备的成功实施，以下实验进行截肢的人。但这些不应被解释为限制本设备的范围。最初，截肢者需要训练有素的操作装置。这包括在屈曲和伸展的不同程度的肌肉 力量的识别。这些水平，然后等同于为不同级别的操作的手的阈值电压。两肌电电极套固定在旋前圆肌和拮抗肌命名酥皮的国家。对于设备的成功运作，最初的人进 行了培训，以灵活和扩展的肌肉，按要求。从旋前圆肌信号打开手掌和手腕的旋转和旋后肌的信号负责负责不同的握把抓对象。当截肢的人适用于旋前肌力最小，等于要用力打开手掌，手掌开始张开，直到力不断地被施加。在这种情况下，电磁clutch-1通过继电器开关激活，加上电机轴和棕榈开放机制。一 个充满水的软thermocole玻璃放置在患者面前。打开手掌后，人发挥所需的水平力在旋后肌掌握thermocole玻璃无破碎了。在抓玻璃后，病人 被要求把水倒到另一个容器里。再次，他弯曲的旋前肌提供力高于开掌所需要的力量，从而导致手腕旋转逆时针方向。在这种情况下，电磁clutch-2通过继 电器开关激活，加上电机轴与手腕旋转机构。相对运动之间的手和前臂发生逆时针方向。手腕旋转和截肢者能够把水倒进其他含有二。完成分配任务后，需要将设备恢复到正常状态。所以，以顺时针方向转动手腕，人发挥力水平较高（大于所需逆时 针方向转动手腕的力量）在旋前肌。其结果是，手腕被顺时针方向旋转，玻璃被放回桌子上。所有这些活动都是按图5所示的流程图

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[146564]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word