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基本信息
- 項(xiàng)目名稱(chēng)：
- 具有力觸覺(jué)的新型人機(jī)交感智能肌電假手
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類(lèi)：
- 機(jī)械與控制
- 大類(lèi)：
- 科技發(fā)明制作A類(lèi)
- 簡(jiǎn)介：
- 這是一款提供給殘疾人使用的智能肌電假手，采用集成化設(shè)計(jì)，體積小，質(zhì)量輕。使用者只需把肌電信號(hào)采集電極貼在手臂對(duì)應(yīng)位置，使用手腕上抬和下壓等動(dòng)作就可控制假手的張開(kāi)和閉合，開(kāi)合的速度和動(dòng)作與手腕的用力程度成正比，握力也可由手腕用力大小控制，并且通過(guò)振動(dòng)反饋告知使用者假手實(shí)時(shí)握力的大小。殘疾人只需活動(dòng)手腕就能自如地控制假手完成拿紙杯、雞蛋等一般機(jī)械手難以完成的動(dòng)作，給日常生活帶來(lái)極大方便。
- 詳細(xì)介紹：
- 這是一款提供給手部殘疾人士使用，能夠替代其失去的肢體，完成控制和感知功能的智能肌電假手。使用者只需要把肌電信號(hào)采集電極貼在手臂的對(duì)應(yīng)位置，使用手腕的上抬和下壓兩個(gè)動(dòng)作就可以控制假手的張開(kāi)和閉合。肌電假手開(kāi)合的速度與手腕的用力程度成正比，握力也可由手腕的用力大小控制，握力可控范圍為0~30N，并且通過(guò)振動(dòng)反饋的方式告知使用者假手的實(shí)時(shí)握力的大小。 “En-joy”取名enjoy life之意，希望我們的產(chǎn)品能真正幫助殘障者更好地享受生活，而中文名字音譯為“愛(ài)卓”也代表了我們團(tuán)隊(duì)追求卓越品質(zhì)的決心。本產(chǎn)品還有六大創(chuàng)新點(diǎn)： （1）因人而異，人性設(shè)計(jì)——具有自主學(xué)習(xí)功能。本產(chǎn)品可以根據(jù)佩戴者的肌電信號(hào)強(qiáng)度的具體情況，自主配置更加精確的力度控制參數(shù)。 （2）張弛有度，游刃有余——輕松抓取易碎、柔軟物品。本產(chǎn)品有效結(jié)合了力度分段模糊控制方法和完善的力覺(jué)反饋系統(tǒng)，使智能假手能夠很好地抓握不同軟硬程度的物體，比如易碎的雞蛋、易變形的紙杯等等。 （3）觸之所觸，感之所感——多種反饋方式令感知更全面。當(dāng)本產(chǎn)品接觸到物體或受到外力干預(yù)時(shí)，貼于使用者手臂不同部位的振動(dòng)器通過(guò)微弱振動(dòng)告知使用者，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的交互作用。 （4）小型設(shè)計(jì)，高度集成——更緊湊的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本產(chǎn)品的手指和傳感器采用一體化設(shè)計(jì)，獨(dú)特的連桿機(jī)構(gòu)可以在更小的體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)更大的減速比。整個(gè)機(jī)械假手重量約為450g，并有配套的仿真手套可以使用。 （5）節(jié)能低耗，高效穩(wěn)定——可提供一天以上的穩(wěn)定使用。經(jīng)測(cè)試，本產(chǎn)品的最大功率為7W，不使用時(shí)進(jìn)入低耗能狀態(tài)，佩戴的鋰電池可供可靠使用12小時(shí)。 （6）手隨心動(dòng)，自由自在——強(qiáng)大的本體感。只要佩戴者上肢殘余手臂有肌肉張弛的意識(shí)，即可使用本產(chǎn)品。佩戴者經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的訓(xùn)練后，可以逐步形成良好的控制意識(shí)，如同使用自己的手臂一樣隨意施加大小合適的力。這種強(qiáng)調(diào)本體決策的控制方式相較全自主的控制模式，既體現(xiàn)了佩戴者的尊嚴(yán)又增加了其肢體完整感。
作品圖片
作品專(zhuān)業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 作品設(shè)計(jì)發(fā)明目的：我們的目標(biāo)在于研制出一種能夠完全替代殘疾人失去的肢體，實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)和感知能力的智能義肢?；舅悸罚罕井a(chǎn)品可安裝于殘疾人剩余手臂，將兩個(gè)肌電電極貼放在殘肢上，通過(guò)肌電電極采集殘肢體表信號(hào)，控制假手的張合。假手上的應(yīng)變片和力傳感器采集實(shí)時(shí)的力信號(hào)，聯(lián)合肌電信號(hào)控制假手的張合動(dòng)作。另外在假手末端安裝了三維腕力傳感器，可同時(shí)測(cè)量x，y，z三方向的力，而在使用者的剩余手臂上安裝6個(gè)微型振動(dòng)器用來(lái)傳達(dá)腕力傳感器的信號(hào)。當(dāng)三維腕力傳感器檢測(cè)到假手受到來(lái)自外界的干預(yù)力時(shí)，將此信息通過(guò)某一振動(dòng)器來(lái)刺激某一肌肉。通過(guò)這種觸覺(jué)反饋的設(shè)計(jì)來(lái)完成對(duì)外界的探知過(guò)程。本設(shè)計(jì)主要由機(jī)械假手、控制模塊、肌電采集電極、力觸覺(jué)傳感器、直流電機(jī)、三維腕力傳感器，微型振動(dòng)電機(jī)，供電電池組成。創(chuàng)新點(diǎn)：自主學(xué)習(xí)功能；完善的力覺(jué)反饋系統(tǒng)；多種反饋方式令感知更全面；更緊湊的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；節(jié)能低耗；強(qiáng)大的本體感。技術(shù)關(guān)鍵: 自主學(xué)習(xí)功能；肌電信號(hào)控制；力度分段模糊控制方法；完善的力反饋系統(tǒng)。主要技術(shù)指標(biāo)：機(jī)械假手的尺寸在完全閉合時(shí)為125mm×50mm×50mm，完全張開(kāi)時(shí)為110mm×100mm×50mm；機(jī)械假手的握力范圍：0～30N；手指可承受最大力：100N；可抓最大寬度：90mm；力觸覺(jué)傳感器測(cè)力范圍為0～15N。電機(jī)額定電壓6V，輸出功率4.55W；堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩21.2mN?m，摩擦轉(zhuǎn)矩0.2mN?m。四維力與力矩傳感器輸出電壓范圍為-1.4V～+1.4V，額定載荷范圍為-100N～+100N。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 科學(xué)性：采用肌電信號(hào)控制機(jī)械假手的張合，符合使用者的生理習(xí)慣，并且具有自主學(xué)習(xí)功能，使用者可以更快地掌握其使用方法。分段模糊控制方法的引入使得“En-joy”智能假手的力度和速度線(xiàn)性可控，既可以抓取堅(jiān)硬的物體，也可以抓取易碎易變形的物體。完善的反饋系統(tǒng)使“En-joy”智能假手不僅可控而且可感。先進(jìn)性：本產(chǎn)品與國(guó)內(nèi)外同類(lèi)產(chǎn)品相比，主要在以下方面具有顯著的進(jìn)步。（1）控制方式：國(guó)外生產(chǎn)的假手主要采用比例控制來(lái)控制肌電假手，無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速閉合而小力抓取這種更加細(xì)膩的動(dòng)作；國(guó)內(nèi)多采用閾值開(kāi)關(guān)量控制，力度與速度難以掌控；本產(chǎn)品采用模糊分段控制方法，使得智能假手的力度和速度線(xiàn)性可控，可以方便地抓取不同材質(zhì)的物品。（2）反饋功能：現(xiàn)在的肌電假手大多沒(méi)有反饋功能，而本產(chǎn)品裝有力覺(jué)傳感器和三維腕力傳感器，能最大程度還原人手功能。（3）自適應(yīng)能力：本產(chǎn)品針對(duì)不同人群的肌電信號(hào)強(qiáng)弱，具有自主學(xué)習(xí)功能。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 2011年 本校大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽 特等獎(jiǎng)
作品所處階段
- 目前我們的智能假手已經(jīng)進(jìn)入了小型化試生產(chǎn)階段。目前第一批產(chǎn)品中已經(jīng)有18套安裝使用了。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 技術(shù)入股或技術(shù)轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 可以展出實(shí)物產(chǎn)品，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)演示，還可提供圖片和視頻錄像等
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 技術(shù)特點(diǎn)：肌電信號(hào)控制；力度分段模糊控制方法；完善的力反饋系統(tǒng)；自主學(xué)習(xí)功能。作品優(yōu)勢(shì)：目前市場(chǎng)上的肌電假手多為閾值控制，抓取時(shí)的力度和速度很難控制。本產(chǎn)品采用了力度分段模糊控制方法和完善的力反饋系統(tǒng)保證了抓取的可靠性。而且本產(chǎn)品具有自適應(yīng)性，使其輕松有效地控制智能假手。力覺(jué)信息反饋的引入改變了以往單一用視覺(jué)來(lái)判斷機(jī)械手抓取成功與否的情況。我們還強(qiáng)調(diào)人的本體控制意識(shí)，本產(chǎn)品相較全自動(dòng)假肢具有更強(qiáng)的本體感和成就感。經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)：我國(guó)截肢殘疾人數(shù)眾多，總數(shù)多達(dá)326萬(wàn), 大部分應(yīng)安裝假手。我們的智能假手每支成本可控制在5000元以?xún)?nèi)，而出廠價(jià)格約一萬(wàn)元，相比動(dòng)則幾萬(wàn)元甚至十幾萬(wàn)元的國(guó)外進(jìn)口肌電產(chǎn)品有很大的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。因此如大量生產(chǎn)本品可迅速取得大批擁護(hù)者，可預(yù)計(jì)到的經(jīng)濟(jì)收益最少可達(dá)幾千萬(wàn)。
同類(lèi)課題研究水平概述
- 國(guó)外研究開(kāi)展較早，產(chǎn)品先進(jìn)，但價(jià)格昂貴，且不適用于國(guó)內(nèi)人群。目前,美國(guó)、日本等科技發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)肌電電動(dòng)假手的研究重點(diǎn)依然是假手的仿生性能和可控性,但肌電控制的研究水平已經(jīng)從單自由度、閾值控制,上升到比例控制、多運(yùn)動(dòng)模式控制等層次。其中德國(guó)Otto Bock公司開(kāi)發(fā)的肌電假手處于較高的水平，該公司研制的肌電假手的三個(gè)指尖具有抓握功能，它由機(jī)械裝置、內(nèi)手和裝飾性手套組成。國(guó)內(nèi)外的單自由度肌電電動(dòng)假手大多使用這一設(shè)計(jì)思路，不過(guò)肌電識(shí)別的正確率已從當(dāng)初的50%提高到現(xiàn)在的80%以上。近年來(lái)，Otto Bock公司又開(kāi)始研究帶觸覺(jué)的假手，其中帶SUVA傳感器的肌電手是目前技術(shù)最先進(jìn)的手部假肢之一，它在原有的肌電控制假手的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)比例控制，此外還增加了握力自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使假手的握力得以自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制，但在人機(jī)界面、實(shí)用化等方面尚有許多工作要做。瑞典隆德大學(xué)正在致力于研究仿生手的觸覺(jué)問(wèn)題。從原理上講，將假手上的傳感器與植入到肢體皮層體感區(qū)或者是周?chē)窠?jīng)系統(tǒng)的電極相連接，人造手就可以產(chǎn)生觸覺(jué)。具體方法還在研究中。在國(guó)內(nèi)，研究開(kāi)展較晚，尚處于起步階段。現(xiàn)有清華大學(xué)、上海交通大學(xué)等為數(shù)不多的單位對(duì)肌電假手技術(shù)開(kāi)展了研究,在肌電信號(hào)的分析與多運(yùn)動(dòng)模式識(shí)別方面取得了許多有意義的研究成果, 已實(shí)用化的肌電假手一般只有一個(gè)自由度，分別用前臂殘存屈肌、伸肌來(lái)控制假手的張開(kāi)、合攏，多自由度控制常常通過(guò)順序切換后，仍用同一屈肌、伸肌來(lái)控制。直接用肌電信號(hào)控制多自由度假手的研究工作已經(jīng)開(kāi)展，但存在識(shí)別效果不夠理想和干擾等問(wèn)題。肌電假手尚停留在無(wú)感覺(jué)的閾值控制階段。就目前世界范圍內(nèi)來(lái)看，在給殘疾人使用者安裝肌電假手方面，都是先人工測(cè)量使用者的肌電信號(hào)，然后再調(diào)節(jié)肌電假手與其相適應(yīng)；在控制方法方面，肌電假手類(lèi)產(chǎn)品多處于閾值控制，即開(kāi)關(guān)量控制階段，這種控制方式不能控制假手的開(kāi)合速度和握力大小，而在假手產(chǎn)品行業(yè)處于最先進(jìn)水平的德國(guó)Otto Bock公司生產(chǎn)的比例控制肌電假手，雖然可以實(shí)現(xiàn)肌電信號(hào)強(qiáng)度控制假手開(kāi)合速度，但是其握力大小是和閉合速度成正比，所以無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速閉合而小力抓取這種更加細(xì)膩的動(dòng)作；而在握力反饋方面,目前更是沒(méi)有任何產(chǎn)品帶有完善的握力反饋功能。
