基本信息
- 項目名稱：
- 具有力觸覺的新型人機交感智能肌電假手
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 這是一款提供給殘疾人使用的智能肌電假手，采用集成化設計，體積小，質(zhì)量輕。使用者只需把肌電信號采集電極貼在手臂對應位置，使用手腕上抬和下壓等動作就可控制假手的張開和閉合，開合的速度和動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，并且通過振動反饋告知使用者假手實時握力的大小。殘疾人只需活動手腕就能自如地控制假手完成拿紙杯、雞蛋等一般機械手難以完成的動作，給日常生活帶來極大方便。
- 詳細介紹：
- 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采集電極貼在手臂的對應位置，使用手腕的上抬和下壓兩個動作就可以控制假手的張開和閉合。肌電假手開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，并且通過振動反饋的方式告知使用者假手的實時握力的大小。 “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“愛卓”也代表了我們團隊追求卓越品質(zhì)的決心。本產(chǎn)品還有六大創(chuàng)新點： （1）因人而異，人性設計——具有自主學習功能。本產(chǎn)品可以根據(jù)佩戴者的肌電信號強度的具體情況，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)品有效結合了力度分段模糊控制方法和完善的力覺反饋系統(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。當本產(chǎn)品接觸到物體或受到外力干預時，貼于使用者手臂不同部位的振動器通過微弱振動告知使用者，實現(xiàn)了真正意義上的交互作用。 （4）小型設計，高度集成——更緊湊的機械結構設計。本產(chǎn)品的手指和傳感器采用一體化設計，獨特的連桿機構可以在更小的體積內(nèi)實現(xiàn)更大的減速比。整個機械假手重量約為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)測試，本產(chǎn)品的最大功率為7W，不使用時進入低耗能狀態(tài)，佩戴的鋰電池可供可靠使用12小時。 （6）手隨心動，自由自在——強大的本體感。只要佩戴者上肢殘余手臂有肌肉張弛的意識，即可使用本產(chǎn)品。佩戴者經(jīng)過一段時間的訓練后，可以逐步形成良好的控制意識，如同使用自己的手臂一樣隨意施加大小合適的力。這種強調(diào)本體決策的控制方式相較全自主的控制模式，既體現(xiàn)了佩戴者的尊嚴又增加了其肢體完整感。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 作品設計發(fā)明目的：我們的目標在于研制出一種能夠完全替代殘疾人失去的肢體，實現(xiàn)其運動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，將兩個肌電電極貼放在殘肢上，通過肌電電極采集殘肢體表信號，控制假手的張合。假手上的應變片和力傳感器采集實時的力信號，聯(lián)合肌電信號控制假手的張合動作。另外在假手末端安裝了三維腕力傳感器，可同時測量x，y，z三方向的力，而在使用者的剩余手臂上安裝6個微型振動器用來傳達腕力傳感器的信號。當三維腕力傳感器檢測到假手受到來自外界的干預力時，將此信息通過某一振動器來刺激某一肌肉。通過這種觸覺反饋的設計來完成對外界的探知過程。本設計主要由機械假手、控制模塊、肌電采集電極、力觸覺傳感器、直流電機、三維腕力傳感器，微型振動電機，供電電池組成。創(chuàng)新點：自主學習功能；完善的力覺反饋系統(tǒng)；多種反饋方式令感知更全面；更緊湊的機械結構設計；節(jié)能低耗；強大的本體感。技術關鍵: 自主學習功能；肌電信號控制；力度分段模糊控制方法；完善的力反饋系統(tǒng)。主要技術指標：機械假手的尺寸在完全閉合時為125mm×50mm×50mm，完全張開時為110mm×100mm×50mm；機械假手的握力范圍：0～30N；手指可承受最大力：100N；可抓最大寬度：90mm；力觸覺傳感器測力范圍為0～15N。電機額定電壓6V，輸出功率4.55W；堵轉轉矩21.2mN?m，摩擦轉矩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。
科學性、先進性
- 科學性：采用肌電信號控制機械假手的張合，符合使用者的生理習慣，并且具有自主學習功能，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性可控，既可以抓取堅硬的物體，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。先進性：本產(chǎn)品與國內(nèi)外同類產(chǎn)品相比，主要在以下方面具有顯著的進步。（1）控制方式：國外生產(chǎn)的假手主要采用比例控制來控制肌電假手，無法實現(xiàn)快速閉合而小力抓取這種更加細膩的動作；國內(nèi)多采用閾值開關量控制，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有反饋功能，而本產(chǎn)品裝有力覺傳感器和三維腕力傳感器，能最大程度還原人手功能。（3）自適應能力：本產(chǎn)品針對不同人群的肌電信號強弱，具有自主學習功能。
獲獎情況及鑒定結果
- 2011年 本校大學生課外學術科技作品競賽 特等獎
作品所處階段
- 目前我們的智能假手已經(jīng)進入了小型化試生產(chǎn)階段。目前第一批產(chǎn)品中已經(jīng)有18套安裝使用了。
技術轉讓方式
- 技術入股或技術轉讓
作品可展示的形式
- 可以展出實物產(chǎn)品，進行現(xiàn)場演示，還可提供圖片和視頻錄像等
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 技術特點：肌電信號控制；力度分段模糊控制方法；完善的力反饋系統(tǒng)；自主學習功能。作品優(yōu)勢：目前市場上的肌電假手多為閾值控制，抓取時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)品具有自適應性，使其輕松有效地控制智能假手。力覺信息反饋的引入改變了以往單一用視覺來判斷機械手抓取成功與否的情況。我們還強調(diào)人的本體控制意識，本產(chǎn)品相較全自動假肢具有更強的本體感和成就感。經(jīng)濟效益預測：我國截肢殘疾人數(shù)眾多，總數(shù)多達326萬, 大部分應安裝假手。我們的智能假手每支成本可控制在5000元以內(nèi)，而出廠價格約一萬元，相比動則幾萬元甚至十幾萬元的國外進口肌電產(chǎn)品有很大的價格優(yōu)勢。因此如大量生產(chǎn)本品可迅速取得大批擁護者，可預計到的經(jīng)濟收益最少可達幾千萬。
同類課題研究水平概述
- 國外研究開展較早，產(chǎn)品先進，但價格昂貴，且不適用于國內(nèi)人群。目前,美國、日本等科技發(fā)達國家對肌電電動假手的研究重點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、多運動模式控制等層次。其中德國Otto Bock公司開發(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指尖具有抓握功能，它由機械裝置、內(nèi)手和裝飾性手套組成。國內(nèi)外的單自由度肌電電動假手大多使用這一設計思路，不過肌電識別的正確率已從當初的50%提高到現(xiàn)在的80%以上。近年來，Otto Bock公司又開始研究帶觸覺的假手，其中帶SUVA傳感器的肌電手是目前技術最先進的手部假肢之一，它在原有的肌電控制假手的基礎上，實現(xiàn)比例控制，此外還增加了握力自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使假手的握力得以自動調(diào)節(jié)和控制，但在人機界面、實用化等方面尚有許多工作要做。瑞典隆德大學正在致力于研究仿生手的觸覺問題。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)或者是周圍神經(jīng)系統(tǒng)的電極相連接，人造手就可以產(chǎn)生觸覺。具體方法還在研究中。在國內(nèi)，研究開展較晚，尚處于起步階段。現(xiàn)有清華大學、上海交通大學等為數(shù)不多的單位對肌電假手技術開展了研究,在肌電信號的分析與多運動模式識別方面取得了許多有意義的研究成果, 已實用化的肌電假手一般只有一個自由度，分別用前臂殘存屈肌、伸肌來控制假手的張開、合攏，多自由度控制常常通過順序切換后，仍用同一屈肌、伸肌來控制。直接用肌電信號控制多自由度假手的研究工作已經(jīng)開展，但存在識別效果不夠理想和干擾等問題。肌電假手尚停留在無感覺的閾值控制階段。就目前世界范圍內(nèi)來看，在給殘疾人使用者安裝肌電假手方面，都是先人工測量使用者的肌電信號，然后再調(diào)節(jié)肌電假手與其相適應；在控制方法方面，肌電假手類產(chǎn)品多處于閾值控制，即開關量控制階段，這種控制方式不能控制假手的開合速度和握力大小，而在假手產(chǎn)品行業(yè)處于最先進水平的德國Otto Bock公司生產(chǎn)的比例控制肌電假手，雖然可以實現(xiàn)肌電信號強度控制假手開合速度，但是其握力大小是和閉合速度成正比，所以無法實現(xiàn)快速閉合而小力抓取這種更加細膩的動作；而在握力反饋方面,目前更是沒有任何產(chǎn)品帶有完善的握力反饋功能。
