基于多力敏电阻传感器的多自由度假手控制装置

摘要

基于多力敏电阻传感器的多自由度假手控制装置，涉及多自由度假手控制装置，它为解决肌肉表面电信号假手控制装置所存在的抗干扰能力弱、仿生性能差和控制模式少的缺点而提出的，它由信息采集、信号分析和处理和基于DSP的假手控制等模块组成；信息采集模块由力敏电阻传感器和电路转换处理模块组成；力敏电阻传感器装在与前臂形状吻合的假肢筒内侧并与前臂肌肉充分接触，力敏电阻传感器的信号输出端连电路转换处理模块的信号输入端；信息采集模块的信号输出端连信号分析和处理模块的信号输入端；信号分析和处理模块的数据信号输出端连基于DSP的假手控制模块的数据信号输入端。它具有抗干扰能力强、仿生性能好、控制模式多、灵敏度高的优点。

权利要求

1.基于多力敏电阻传感器的多自由度假手控制装置，它包括信号分析和处理模块(2)和基于DSP的假手控制模块(3)；它还包括信息采集模块(1)；所述信息采集模块(1)由力敏电阻传感器(1-1)和电路转换处理模块(1-2)组成；力敏电阻传感器(1-1)装设在与前臂形状吻合的假肢筒内侧并与前臂肌肉充分接触，力敏电阻传感器(1-1)的信号输出端与电路转换处理模块(1-2)的信号输入端相连；电路转换处理模块(1-2)的信号输出端即为信息采集模块(1)的信号输出端，信息采集模块(1)的信号输出端与信号分析和处理模块(2)的信号输入端相连；信号分析和处理模块(2)的数据信号输出端与基于DSP的假手控制模块(3)的数据信号输入端相连；其特征在于所述的电路转换处理模块(1-2)由第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第四电容(C4)和放大器(U1)组成；第一电阻(R1)的一端分别与第二电阻(R2)的一端和第一电容(C1)的一端相连；第一电阻(R1)的一端即为电路转换处理模块(1-2)的信号输入端；第一电阻(R1)的另一端分别与第一电容(C1)的另一端、放大器(U1)的负相电源输入端和地线相连；第二电阻(R2)的另一端与放大器(U1)的正相输入端相连；放大器(U1)的反相输入端分别与放大器(U1)的输出端和第二电容(C2)的一端相连，第二电容(C2)的另一端与地线相连；放大器(U1)的正相电源输入端分别与电源VCC、第三电容(C3)的一端和第四电容(C4)的一端相连；第三电容(C3)的另一端分别与第四电容(C4)的另一端和地线相连；放大器(U1)的输出端即为电路转换处理模块(1-2)信号输出端。

说明书

基于多力敏电阻传感器的多自由度假手控制装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种多自由度假手控制装置，具体涉及一种基于触觉信息的多自由度假手控制装置。

背景技术

[0002] 多自由度假手在机械本体上趋于小型化，轻量化，其体积接近成人正常手，重量约500g，让使用者自身能够承受多自由度假手的重量；同时随着对多自由度假手智能化要求的提高，在假手控制方面保证高成功率的同时需要实现更多种的动作模式。传统的肌肉表面电信号(EMG)对多自由度假手控制的成功率较高，但其同时也存在着信号微弱，信号采集过程中易受到电磁辐射干扰，电极体积大难以增加数量，皮肤与电极之间电阻值随温度的变化而变化，控制模式少，仿生性能差等缺点。

发明内容

[0003] 本发明为了解决传统的肌肉表面电信号(EMG)对多自由度假手控制装置所存在的抗干扰能力弱、仿生性能差和控制模式少的缺点，而提出的一种基于多力敏电阻传感器的多自由度假手控制装置。

[0004] 基于多力敏电阻传感器的多自由度假手控制装置，它包括信号分析和处理模块和基于DSP的假手控制模块；它还包括信息采集模块；所述信息采集模块由力敏电阻传感器和电路转换处理模块组成；力敏电阻传感器装设在与前臂形状吻合的假肢筒内侧并与前臂肌肉充分接触，力敏电阻传感器的信号输出端与电路转换处理模块的信号输入端相连；电路转换处理模块的信号输出端即为信息采集模块的信号输出端，信息采集模块的信号输出端与信号分析和处理模块的信号输入端相连；信号分析和处理模块的数据信号输出端与基于DSP的假手控制模块的数据信号输入端相连，所述的电路转换处理模块由第一电阻、第二电阻、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容和放大器组成；第一电阻的一端分别与第二电阻的一端和第一电容的一端相连；第一电阻的一端即为电路转换处理模块的信号输入端；第一电阻的另一端分别与第一电容的另一端、放大器的负相电源输入端和地线相连；第二电阻的另一端与放大器的正相输入端相连；放大器的反相输入端分别与放大器的输出端和第二电容的一端相连，第二电容的另一端与地线相连；放大器的正相电源输入端分别与电源、第三电容的一端和第四电容的一端相连；第三电容的另一端分别与第四电容的另一端和地线相连；放大器的输出端即为电路转换处理模块信号输出端。

[0005] 本发明具有抗干扰能力强、仿生性能好、控制模式多、单体尺寸小，在相同的体积内可容纳更多数量的传感器，并通过阵列式分布实现高灵敏度和高准确度等优点，当作用在力敏电阻传感器表面的压力增大时，相应其电阻值将会减小。该传感器的力敏特性专门为通过人类触觉对电子装置进行控制而进行优化，所以十分适合触觉信号的采集。触觉信号使人体前臂肌肉收缩情况与多自由度假手的控制联系起来，是实现控制意图的桥梁。对于肢体后天缺失的残疾人，一般情况下仍然具有像健康人一样的肢体控制意识，因此，残疾人可以控制残肢的肌肉活动，进而达到控制假手的目的。所以，触觉信号控制多自由度假手具有动作自然、仿生性能好等特点，已经受到越来越多的关注。本发明通过采集前臂肌肉伸缩产生的压力信号实现控制多自由度假手手指的运动，其中包括拇指、食指、其余三指的伸展、弯曲、放松组合动作以及中指、无名指、小指的分别屈伸动作，共33种动作组合。

附图说明

[0006] 图1为具体实施方式一的电路结构示意图；图2为具体实施方式二的电路结构示意图。

具体实施方式

[0007] 具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，它由信息采集模块1、信号分析和处理模块2和基于DSP的假手控制模块3组成；所述信息采集模块1由力敏电阻传感器1-1和电路转换处理模块1-2组成；力敏电阻传感器1-1装设在与前臂形状吻合的假肢筒内侧并与前臂肌肉充分接触，力敏电阻传感器1-1的信号输出端与电路转换处理模块1-2的信号输入端相连；电路转换处理模块1-2的信号输出端即为信息采集模块1的信号输出端，信息采集模块1的信号输出端与信号分析和处理模块2的信号输入端相连；信号分析和处理模块2的数据信号输出端与基于DSP的假手控制模块3的数据信号输入端相连。力敏电阻传感器1-1采用的型号为FSR-149NS(Force Sensitive Resistor)。

[0008] 本实施方式的工作原理：本实施方式中所采用的FSR-149NS(ForceSensitive Resistor)力敏电阻传感器是一种厚膜聚合物传感器，具有尺寸小，灵敏度高等特点，当作用在其表面的压力增大时，相应其电阻值将会减小。该传感器的力敏特性专门为通过人类触觉对电子装置进行控制而进行优化，所以十分适合触觉信号的采集。触觉信号使人体前臂肌肉收缩情况与多自由度假手的控制联系起来，是实现控制意图的桥梁。对于肢体后天缺失的残疾人，一般情况下仍然具有像健康人一样的肢体控制意识，因此，残疾人可以控制残肢的肌肉活动，进而达到控制假手的目的。所以，触觉信号控制多自由度假手具有动作自然、仿生性好等特点，将10～20枚型号为FSR-149NS(Force SensitiveResistor)的力敏电阻传感器1-1分别安装于与残疾人前臂形状吻合的手臂筒内侧并固定在残疾人的前臂处，使传感器与手臂充分接触。当前臂肌肉发生收缩时采集输出信号，经电路转换处理模块1-2转换处理后输入信号分析和处理模块2中，信号分析和处理模块2通过对信号进行分类识别，将控制信号通过串行通讯接口送入基于DSP的假手控制模块3，基于DSP的假手控制模块3发送命令到驱动电机，使手指实施动作。

[0009] 所述信号分析和处理模块2对信号进行分类识别基于支持向量机(SVM)这一模式识别工具。其通过在两类数据之间布置一个超平面并使数据距离此超平面距离最大而对两类数据进行线性的分隔。其中核函数采用RBF核，其表达式为：

[0010] K(xi，xj)＝exp(-γ||xi-xj||2)

[0011] 表达式中：参数γ-核参数，γ＞0。

[0012] 利用Lagrange优化算法可以将SVM二次规划问题转化为对偶问题求解，最终两类分类问题的决策函数为：

[0013]

[0014] 式中参数αi-拉格朗日乘子，上界为C。参数xi-各模式特征样本。参数yi-样本对应的样本标号，-1或1。参数b-分类阈值。

[0015] 参数C与参数γ的选择借助于网格搜索法。同时，为了防止分类器的过拟合，参数选择需要同交叉验证(Cross-Validation)方法结合起来，以选择针对训练样本在搜索范围内的最优SVM分类器。对于多类模式之间的识别，采用“一对一”算法(one-against-one)，对于每个待分样本，分类器组全部对其进行二值划分，最终得到分类标号最多的作为多类SVM分类器的输出。

[0016] 具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于所述的电路转换处理模块1-2由第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4和放大器U1组成；第一电阻R1的一端分别与第二电阻R2的一端和第一电容C1的一端相连；第一电阻R1的一端即为电路转换处理模块1-2的信号输入端；第一电阻R1的另一端分别与第一电容C1的另一端、放大器U1的负相电源输入端和地线相连；第二电阻R2的另一端与放大器U1的正相输入端相连；放大器U1的反相输入端分别与放大器U1的输出端和第二电容C2的一端相连，第二电容C2的另一端与地线相连；放大器U1的正相电源输入端分别与电源VCC、第三电容C3的一端和第四电容C4的一端相连；第三电容C3的另一端分别与第四电容C4的另一端和地线相连；放大器U1的输出端即为电路转换处理模块1-2信号输出端。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。放大器U1采用圣邦公司生产的型号为SGM8624型放大器。SGM8624型放大器具有低噪声、低电压的优点，十分适合传感器信号的放大。第一电阻R1主要用于分压，第二电阻R2用于抵消电压跟随器输入阻抗负阻成分，第三电容C3、第四电容C4主要是稳压的作用，使电路工作稳定。

[0017] 具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同点在于力敏电阻传感器1-1为厚膜聚合物传感器。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。所述力敏电阻传感器1-1具有尺寸小，灵敏度高的特点，当作用在其表面的压力增大时，相应其电阻值将会减小。
该传感器的力敏特性专门为通过人类触觉对电子装置进行控制而进行优化，所以十分适合触觉信号的采集。

[0018] 具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同点在于力敏电阻传感器1-1的数量范围为10～20个。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。增加力敏电阻传感器1-1的数量可以使触觉信号的采集更加准确。

[0019] 本发明所述的基于力敏电阻传感器(FSR)采集的触觉信号控制假手与传统基于肌电信号控制假手的效果对比见下表：

[0020]基于肌电信号控制假手 基于FSR传感器信号控制假手
价格 电极价格昂贵 FSR传感器价格低廉
基于肌电信号控制假手 基于FSR传感器信号控制假手
信号 信号微弱且不稳定，易受干扰 信号强，稳定性好
体积 体积大，限制其数量 体积小，易于阵列式分布
识别 能识别19种模式，成功率95％能识别33种模式，成功率95％
结果 以上 以上，可实现无名指，中指和小
指单独控制