基本信息
- 项目名称：
- 具有力触觉的新型人机交感智能肌电假手
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 这是一款提供给残疾人使用的智能肌电假手，采用集成化设计，体积小，质量轻。使用者只需把肌电信号采集电极贴在手臂对应位置，使用手腕上抬和下压等动作就可控制假手的张开和闭合，开合的速度和动作与手腕的用力程度成正比，握力也可由手腕用力大小控制，并且通过振动反馈告知使用者假手实时握力的大小。残疾人只需活动手腕就能自如地控制假手完成拿纸杯、鸡蛋等一般机械手难以完成的动作，给日常生活带来极大方便。
- 详细介绍：
- 这是一款提供给手部残疾人士使用，能够替代其失去的肢体，完成控制和感知功能的智能肌电假手。使用者只需要把肌电信号采集电极贴在手臂的对应位置，使用手腕的上抬和下压两个动作就可以控制假手的张开和闭合。肌电假手开合的速度与手腕的用力程度成正比，握力也可由手腕的用力大小控制，握力可控范围为0~30N，并且通过振动反馈的方式告知使用者假手的实时握力的大小。 “En-joy”取名enjoy life之意，希望我们的产品能真正帮助残障者更好地享受生活，而中文名字音译为“爱卓”也代表了我们团队追求卓越品质的决心。本产品还有六大创新点： （1）因人而异，人性设计——具有自主学习功能。本产品可以根据佩戴者的肌电信号强度的具体情况，自主配置更加精确的力度控制参数。 （2）张弛有度，游刃有余——轻松抓取易碎、柔软物品。本产品有效结合了力度分段模糊控制方法和完善的力觉反馈系统，使智能假手能够很好地抓握不同软硬程度的物体，比如易碎的鸡蛋、易变形的纸杯等等。 （3）触之所触，感之所感——多种反馈方式令感知更全面。当本产品接触到物体或受到外力干预时，贴于使用者手臂不同部位的振动器通过微弱振动告知使用者，实现了真正意义上的交互作用。 （4）小型设计，高度集成——更紧凑的机械结构设计。本产品的手指和传感器采用一体化设计，独特的连杆机构可以在更小的体积内实现更大的减速比。整个机械假手重量约为450g，并有配套的仿真手套可以使用。 （5）节能低耗，高效稳定——可提供一天以上的稳定使用。经测试，本产品的最大功率为7W，不使用时进入低耗能状态，佩戴的锂电池可供可靠使用12小时。 （6）手随心动，自由自在——强大的本体感。只要佩戴者上肢残余手臂有肌肉张弛的意识，即可使用本产品。佩戴者经过一段时间的训练后，可以逐步形成良好的控制意识，如同使用自己的手臂一样随意施加大小合适的力。这种强调本体决策的控制方式相较全自主的控制模式，既体现了佩戴者的尊严又增加了其肢体完整感。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品设计发明目的：我们的目标在于研制出一种能够完全替代残疾人失去的肢体，实现其运动和感知能力的智能义肢。基本思路：本产品可安装于残疾人剩余手臂，将两个肌电电极贴放在残肢上，通过肌电电极采集残肢体表信号，控制假手的张合。假手上的应变片和力传感器采集实时的力信号，联合肌电信号控制假手的张合动作。另外在假手末端安装了三维腕力传感器，可同时测量x，y，z三方向的力，而在使用者的剩余手臂上安装6个微型振动器用来传达腕力传感器的信号。当三维腕力传感器检测到假手受到来自外界的干预力时，将此信息通过某一振动器来刺激某一肌肉。通过这种触觉反馈的设计来完成对外界的探知过程。本设计主要由机械假手、控制模块、肌电采集电极、力触觉传感器、直流电机、三维腕力传感器，微型振动电机，供电电池组成。创新点：自主学习功能；完善的力觉反馈系统；多种反馈方式令感知更全面；更紧凑的机械结构设计；节能低耗；强大的本体感。技术关键: 自主学习功能；肌电信号控制；力度分段模糊控制方法；完善的力反馈系统。主要技术指标：机械假手的尺寸在完全闭合时为125mm×50mm×50mm，完全张开时为110mm×100mm×50mm；机械假手的握力范围：0～30N；手指可承受最大力：100N；可抓最大宽度：90mm；力触觉传感器测力范围为0～15N。电机额定电压6V，输出功率4.55W；堵转转矩21.2mN▪m，摩擦转矩0.2mN▪m。四维力与力矩传感器输出电压范围为-1.4V～+1.4V，额定载荷范围为-100N～+100N。
科学性、先进性
- 科学性：采用肌电信号控制机械假手的张合，符合使用者的生理习惯，并且具有自主学习功能，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线性可控，既可以抓取坚硬的物体，也可以抓取易碎易变形的物体。完善的反馈系统使“En-joy”智能假手不仅可控而且可感。先进性：本产品与国内外同类产品相比，主要在以下方面具有显著的进步。（1）控制方式：国外生产的假手主要采用比例控制来控制肌电假手，无法实现快速闭合而小力抓取这种更加细腻的动作；国内多采用阈值开关量控制，力度与速度难以掌控；本产品采用模糊分段控制方法，使得智能假手的力度和速度线性可控，可以方便地抓取不同材质的物品。（2）反馈功能：现在的肌电假手大多没有反馈功能，而本产品装有力觉传感器和三维腕力传感器，能最大程度还原人手功能。（3）自适应能力：本产品针对不同人群的肌电信号强弱，具有自主学习功能。
获奖情况及鉴定结果
- 2011年 本校大学生课外学术科技作品竞赛 特等奖
作品所处阶段
- 目前我们的智能假手已经进入了小型化试生产阶段。目前第一批产品中已经有18套安装使用了。
技术转让方式
- 技术入股或技术转让
作品可展示的形式
- 可以展出实物产品，进行现场演示，还可提供图片和视频录像等
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点：肌电信号控制；力度分段模糊控制方法；完善的力反馈系统；自主学习功能。作品优势：目前市场上的肌电假手多为阈值控制，抓取时的力度和速度很难控制。本产品采用了力度分段模糊控制方法和完善的力反馈系统保证了抓取的可靠性。而且本产品具有自适应性，使其轻松有效地控制智能假手。力觉信息反馈的引入改变了以往单一用视觉来判断机械手抓取成功与否的情况。我们还强调人的本体控制意识，本产品相较全自动假肢具有更强的本体感和成就感。经济效益预测：我国截肢残疾人数众多，总数多达326万, 大部分应安装假手。我们的智能假手每支成本可控制在5000元以内，而出厂价格约一万元，相比动则几万元甚至十几万元的国外进口肌电产品有很大的价格优势。因此如大量生产本品可迅速取得大批拥护者，可预计到的经济收益最少可达几千万。
同类课题研究水平概述
- 国外研究开展较早，产品先进，但价格昂贵，且不适用于国内人群。目前,美国、日本等科技发达国家对肌电电动假手的研究重点依然是假手的仿生性能和可控性,但肌电控制的研究水平已经从单自由度、阈值控制,上升到比例控制、多运动模式控制等层次。其中德国Otto Bock公司开发的肌电假手处于较高的水平，该公司研制的肌电假手的三个指尖具有抓握功能，它由机械装置、内手和装饰性手套组成。国内外的单自由度肌电电动假手大多使用这一设计思路，不过肌电识别的正确率已从当初的50%提高到现在的80%以上。近年来，Otto Bock公司又开始研究带触觉的假手，其中带SUVA传感器的肌电手是目前技术最先进的手部假肢之一，它在原有的肌电控制假手的基础上，实现比例控制，此外还增加了握力自动调节系统，使假手的握力得以自动调节和控制，但在人机界面、实用化等方面尚有许多工作要做。瑞典隆德大学正在致力于研究仿生手的触觉问题。从原理上讲，将假手上的传感器与植入到肢体皮层体感区或者是周围神经系统的电极相连接，人造手就可以产生触觉。具体方法还在研究中。在国内，研究开展较晚，尚处于起步阶段。现有清华大学、上海交通大学等为数不多的单位对肌电假手技术开展了研究,在肌电信号的分析与多运动模式识别方面取得了许多有意义的研究成果, 已实用化的肌电假手一般只有一个自由度，分别用前臂残存屈肌、伸肌来控制假手的张开、合拢，多自由度控制常常通过顺序切换后，仍用同一屈肌、伸肌来控制。直接用肌电信号控制多自由度假手的研究工作已经开展，但存在识别效果不够理想和干扰等问题。肌电假手尚停留在无感觉的阈值控制阶段。就目前世界范围内来看，在给残疾人使用者安装肌电假手方面，都是先人工测量使用者的肌电信号，然后再调节肌电假手与其相适应；在控制方法方面，肌电假手类产品多处于阈值控制，即开关量控制阶段，这种控制方式不能控制假手的开合速度和握力大小，而在假手产品行业处于最先进水平的德国Otto Bock公司生产的比例控制肌电假手，虽然可以实现肌电信号强度控制假手开合速度，但是其握力大小是和闭合速度成正比，所以无法实现快速闭合而小力抓取这种更加细腻的动作；而在握力反馈方面,目前更是没有任何产品带有完善的握力反馈功能。
