[发明专利]基于多传感器和力反馈的辅助机械手系统及其使用方法

权利要求书

1.一种基于多传感器和力反馈的辅助机械手系统，其特征在于，包括可佩戴在用户手臂上的机械手单元、可穿戴在用户手上的力反馈单元、传感器单元和分别连接机械手单元、力反馈单元、传感器单元的信号处理单元；

其中，传感器单元包括肌电信号传感器和力传感器，肌电信号传感器佩戴在用户手臂上，用于采集用户手臂的表面肌电信号并发送给信号处理单元；力传感器安装在机械手单元的机械手指上，用于采集机械手指在与外部环境、对象交互时所产生的力信号并发送给信号处理单元；

信号处理单元用于在机械手指力信号小于设定阈值的情况下，根据用户手臂表面肌电信号来识别出用户手部动作，并根据所识别的用户手部动作来控制机械手指完成相应动作；用于在机械手指力信号不小于设定阈值的情况下，控制力反馈单元对用户的手产生对应的阻力来作为反馈，以提供力反馈临场感，以及根据用户手臂表面肌电信号的强度来控制机械手单元输出相应的作用力。

2.根据权利要求1所述的辅助机械手系统，其特征在于，肌电信号传感器、力反馈单元分别通过无线方式与信号处理单元相连接；力传感器通过有线方式与信号处理单元相连接，信号处理单元通过有线方式与机械手单元中用于驱动机械手指运动的第一驱动电机相连接，有线连接所用的线缆和第一驱动电机均安装在机械手单元内。

3.根据权利要求1所述的辅助机械手系统，其特征在于，机械手单元包括相连接的手臂结构和手部执行结构，手臂结构设有可供用户佩戴的第一手臂固定件和第二手臂固定件，机械手单元通过第一手臂固定件和第二手臂固定件固定在用户手臂上；

信号处理单元安装在手臂结构内，佩戴在用户手臂上的肌电信号传感器夹在用户手臂和第一手臂固定件之间，或用户手臂和第二手臂固定件之间。

4.根据权利要求3所述的辅助机械手系统，其特征在于，第一手臂固定件通过转轴连接在手臂结构上，同时通过连杆连接第二手臂固定件以使第二手臂固定件位于手臂结构处。

5.根据权利要求1所述的辅助机械手系统，其特征在于，力反馈单元包括外骨架结构和力反馈执行装置；外骨架结构用于供用户的手套入，包括主手外骨架和连接主手外骨架的五个手指外骨架，主手外骨架与用户手掌相对应，手指外骨架与用户手指相对应，手指外骨架进一步分为手指节外骨架和位于手指节外骨末端的指环外骨架；

力反馈执行装置用于对用户的手产生实际的阻力，力反馈执行装置包括电机控制芯片、第二驱动电机、手指头固定环、可容纳牵拉绳的导轨、牵拉绳，第二驱动电机和电机控制芯片均安装在主手外骨架上，电机控制芯片连接并控制第二驱动电机，同时通过无线方式连接至信号处理单元；

手指头固定环固定在各个指环外骨架上，导轨设置在各个手指节外骨架上，每个手指外骨架对应一条牵拉绳，牵拉绳一端连接至第二驱动电机，另一端穿过导轨并连接至手指头固定环。

6.根据权利要求5所述的辅助机械手系统，其特征在于，手指外骨架由可调节松紧程度的多个圆环体构成，并且这些圆环体沿着一条直线首尾相连。

7.根据权利要求1所述的辅助机械手系统，其特征在于，肌电信号传感器的数量为多个并共同组成一臂环，手臂肌电信号的采集区由多个肌电信号传感器分为多个通道。

8.根据权利要求1所述的辅助机械手系统，其特征在于，力传感器采用薄膜型压力传感器，力传感器分布在机械手单元每根机械手指的末端处和掌指关节处。

9.根据权利要求1所述的辅助机械手系统，其特征在于，信号处理单元中存储有训练好的神经网络分类器，信号处理单元通过该神经网络分类器对肌电信号传感器采集到的表面肌电信号进行用户手部动作分类，并根据分类结果生成相应的控制信号给机械手单元。

10.一种如权利要求1～9中任一项所述的基于多传感器和力反馈的辅助机械手系统的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

用户将机械手单元和肌电信号传感器佩戴在手臂上，将力传感器安装在机械手单元的机械手指上，用户手穿戴上力反馈单元，随后用户根据自己的实际工作需求，手部做相应的运动；

此时肌电信号传感器实时监测用户手臂肌肉的活动变化，采集相应的表面肌电信号，并发送给信号处理单元；力传感器实时监测机械手指是否产生作用力，并将采集到的力信号发送给信号处理单元；

信号处理单元接收到两个传感器的信号后，先判断是否接收到明显的力信号，再判断是否有肌电信号变化；

若信号处理单元接收到的力信号小于设定阈值时，则说明力信号不明显，此时机械手单元进入位置控制阶段，机械手单元根据表面肌电信号来识别用户当前的手部动作，并根据所识别的用户手部动作来控制机械手指做相应的动作；其中，用户手部动作包括张开手掌、握拳、食指和拇指扭取、握拳基础上伸出食指；

若信号处理单元接收到力信号不小于设定阈值，则说明力信号明显，此时辅助机械手控制系统进入力控制阶段，机械手单元生成对应的控制信号给力反馈单元，使力反馈单元对人手产生相应阻力作为反馈，还有根据表面肌电信号的强度输出相应的作用力。