仿生肌電假手的觸滑覺(jué)功能及其實(shí)現(xiàn)①

姜明文，張西琳，張濟(jì)川

仿生肌電假手的觸滑覺(jué)功能及其實(shí)現(xiàn)①

姜明文1，張西琳2，張濟(jì)川1

目的探討利用壓電薄膜聚偏二氟乙烯(PVDF)實(shí)現(xiàn)仿生肌電假手的觸滑覺(jué)功能。方法分析壓電材料PVDF的特點(diǎn)和壓電特性，研究由PVDF構(gòu)成的觸滑覺(jué)傳感器的信號(hào)產(chǎn)生原理及其在肌電假手上的實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)壓電信號(hào)調(diào)理電路和PVDF觸滑覺(jué)反饋控制系統(tǒng)，制成實(shí)驗(yàn)樣手，進(jìn)行觸滑覺(jué)功能實(shí)驗(yàn)。結(jié)果與結(jié)論本文采用的觸滑覺(jué)反饋方法，反饋信號(hào)特征明顯，效果良好，實(shí)用可靠。

仿生肌電假手；觸滑覺(jué)反饋；壓電傳感器

[本文著錄格式] 姜明文，張西琳，張濟(jì)川.仿生肌電假手的觸滑覺(jué)功能及其實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)康復(fù)理論與實(shí)踐,2017,23(1): 110-113.

CITED AS:Jiang MW,Zhang XL,Zhang JC.Tactile and slip sensory functions for electromyogram controlled bionic prosthetic hand and realization[J].Zhongguo Kangfu Lilun Yu Shijian,2017,23(1):110-113.

人工肌電假手雖然可在患者意識(shí)控制下實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)功能仿生動(dòng)作，但對(duì)外部環(huán)境和物理因素沒(méi)有感知功能，主要靠人的視覺(jué)判斷手是否接觸到物體。設(shè)計(jì)具有感覺(jué)功能的肌電假手，可以實(shí)現(xiàn)人工肌電假手的全面仿生要求。

對(duì)于肌電假手，實(shí)用的主要感覺(jué)功能是力覺(jué)、觸覺(jué)和滑覺(jué)。感覺(jué)功能有兩類實(shí)現(xiàn)方案：大閉環(huán)感覺(jué)反饋方案和小閉環(huán)感覺(jué)反饋方案。兩種方案都需要利用視覺(jué)反饋，判斷手與目標(biāo)物的接近程度。

1 閉環(huán)觸滑覺(jué)反饋

傳統(tǒng)肌電假手對(duì)被握取的物體沒(méi)有觸覺(jué)(tactile sense)和滑覺(jué)(sliding sense)。如果假手裝備有大閉環(huán)力反饋裝置，觸覺(jué)可以由力覺(jué)宏觀替代，但代替不了滑覺(jué)?；X(jué)對(duì)假手握物的可靠性和安全性有重要意義，是功能仿生的重要功能指標(biāo)。假手的觸滑覺(jué)功能一般采用小閉環(huán)方式實(shí)現(xiàn)，即不通過(guò)人體介質(zhì)的感覺(jué)，直接經(jīng)裝在假手上的反饋裝置實(shí)現(xiàn)小閉環(huán)反饋，由假手本身自動(dòng)判斷是否接觸到物體和物體是否有滑脫趨勢(shì)。

觸滑覺(jué)傳感器有很多形式，如開(kāi)關(guān)式、光電式、氣壓式、電容式、電磁式、壓阻式、壓電式等。其中，由壓電材料組成的壓電式觸滑覺(jué)傳感器有結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點(diǎn)。具有壓電特性的材料也很多，如鋯鈦酸鉛壓電陶瓷(lead zirconate-titanate piezoelectric ceramic, PZT)、聚偏二氟乙烯(polyvinylidence floride,PVDF)等。

2 PVDF的特點(diǎn)和壓電特性

PVDF是一種高分子聚合物型壓電材料，它由許多單體偏二氟乙烯聚合而成，分子式為[CH2-CF2-]n(n是分子數(shù)，約為2000～12000)，分子量40萬(wàn)～60萬(wàn)，結(jié)晶度60%～80%，氟含量59%。自1969年Kawai發(fā)現(xiàn)其具有很強(qiáng)的壓電性能以來(lái)，PVDF在各領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。Matsumoto等[1]利用PVDF的壓電特性監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的變形情況。Hodges等[2]將PVDF材料安裝在小型武器裝置上，用于檢測(cè)武器裝置在發(fā)射時(shí)的振動(dòng)。在醫(yī)療相關(guān)領(lǐng)域，Wang等[3]將PVDF固定在胸腔上，用于心肺監(jiān)控，主要測(cè)量睡眠狀態(tài)下呼吸和心臟跳動(dòng)引起的波動(dòng)信號(hào)，信號(hào)處理主要采用多尺度小波分解。還有關(guān)于PVDF在低頻加速度傳感器上用于測(cè)量加速度的研究。

PVDF具有很好的壓電性能。作為壓電敏感材料，PVDF有以下優(yōu)點(diǎn)：①壓電常數(shù)高，柔性和加工性能良好，聲阻抗低；機(jī)械強(qiáng)度高、頻響寬；②分子結(jié)構(gòu)中包含氟，化學(xué)穩(wěn)定性，耐疲勞性高，吸濕性低，并有良好的熱穩(wěn)定性；③具有高介電強(qiáng)度，可耐受強(qiáng)電場(chǎng)作用；④質(zhì)量輕，密度是PZT的1/4。

壓電效應(yīng)是指某些介質(zhì)沿一定方向?qū)ζ涫┘恿κ怪a(chǎn)生變形時(shí)，介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，并在某兩個(gè)表面產(chǎn)生等量異號(hào)電荷；去掉外力后，又恢復(fù)不帶電狀態(tài)的物理現(xiàn)象。介質(zhì)所產(chǎn)生的電荷量與外力大小成正比，比例系數(shù)為壓電常數(shù)，它與機(jī)械變形方向有關(guān)。壓電晶體材料在彈性變形范圍內(nèi)，在受力狀態(tài)下所產(chǎn)生的電荷密度與作用力成線性關(guān)系。

PVDF微單元材料的受力關(guān)系如圖1。壓電晶體在彈性變形范圍內(nèi)，電荷密度與應(yīng)力之間的關(guān)系可由式(1)表示，其中δ1、δ2、δ3為三個(gè)平面上的電荷量；σ1、σ2、σ3為三個(gè)平面的軸向應(yīng)力；τ1、τ2、τ3為切向應(yīng)力；D=[dij]為壓電系數(shù)矩陣，其中i為產(chǎn)生電荷的面，j代表施加作用力的方向。

對(duì)應(yīng)于微單元上的力矢量F={σ1,σ2,σ3,τ1,τ2,τ3}，且d15=d24≈0，則壓電系數(shù)矩陣為式(2)所示。

由式(2)可知，不是在所有方向上都有壓電效應(yīng)，其中不為0的三項(xiàng)壓電系數(shù)能使Z方向布置的電極產(chǎn)生壓電效應(yīng)。

圖1PVDF微單元材料的受力關(guān)系圖

PVDF用熱成形法加工成薄膜狀。當(dāng)PVDF聚合物從熔融狀態(tài)冷卻時(shí)，主要生成α相PVDF晶體，無(wú)壓電效應(yīng)；在經(jīng)過(guò)拉伸和高壓極化后形成β相，具有很強(qiáng)的壓電效應(yīng)。β晶體結(jié)構(gòu)是極性晶體，受外力作用時(shí)，薄膜變形，晶體發(fā)生位移，在膜的上下兩極生成電荷，產(chǎn)生壓電效應(yīng)。PVDF在極化方向和拉伸方向有較大的壓電系數(shù)，其中極化方向的壓電效應(yīng)最大(圖2)。

圖2PVDF拉伸與極化方向

3 PVDF傳感器信號(hào)產(chǎn)生機(jī)理

利用PVDF壓電薄膜制成的觸滑覺(jué)傳感器結(jié)構(gòu)如圖3?；诪榻^緣材料，薄膜狀PVDF壓電材料的下表面與基底粘接，上表面與帶有鋸齒形(以列陣式凸點(diǎn)排列)粗糙橡膠表皮粘合。壓電信號(hào)由PVDF薄膜上下兩面的電極引出。在物體與傳感器橡膠表皮接觸產(chǎn)生壓力時(shí)，PVDF變形生成電荷，形成觸覺(jué)信號(hào)；在物體與傳感器發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，物體表面與傳感器表皮之間產(chǎn)生沿滑動(dòng)方向的切向力，PVDF產(chǎn)生壓電效應(yīng)，形成滑覺(jué)信號(hào)?；X(jué)信號(hào)實(shí)際上是由很多觸覺(jué)信號(hào)疊加而成。

圖3PVDF觸滑覺(jué)傳感器構(gòu)造示意圖

PVDF觸滑覺(jué)傳感器的作用過(guò)程是，如果手抓握靜止物體，則只有觸覺(jué)信號(hào)產(chǎn)生；如果握住并企圖提起較重的物體，則先有觸覺(jué)后有滑覺(jué)信號(hào)產(chǎn)生(圖4)。觸覺(jué)信號(hào)和滑覺(jué)信號(hào)的特征有明顯區(qū)別?；X(jué)信號(hào)是物體表面與傳感器表面發(fā)生滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的響應(yīng)信號(hào)。物體表面看似光滑，實(shí)際的微觀結(jié)構(gòu)分布著很多微小的凸峰，稱為微凸峰。物體表面與傳感器橡膠表皮相接觸發(fā)生滑動(dòng)時(shí)，物體表面的微凸峰與傳感器表皮的微齒發(fā)生作用，使橡膠微齒發(fā)生變形，傳遞至下層PVDF，生成電荷，從而產(chǎn)生滑覺(jué)響應(yīng)信號(hào)。

圖4 觸/滑覺(jué)試驗(yàn)的響應(yīng)曲線

觸覺(jué)信號(hào)和滑覺(jué)信號(hào)曲線特征不同。觸覺(jué)信號(hào)是一個(gè)具有單一峰值的先上升后下降的曲線，滑覺(jué)信號(hào)是在一定時(shí)間內(nèi)具有多個(gè)峰值的曲線；觸覺(jué)信號(hào)的峰值振幅大于滑覺(jué)信號(hào)的峰值。

為了在同一信號(hào)中分離出觸覺(jué)和滑覺(jué)信號(hào)，需要找到一種合適的特征值作為觸覺(jué)和滑覺(jué)的判別依據(jù)。由于觸覺(jué)有單一較高峰值，而且振幅大于滑覺(jué)信號(hào)，可以選擇一定長(zhǎng)度信號(hào)的平均值作為觸覺(jué)的特征值(圖5)。滑覺(jué)是在單位時(shí)間內(nèi)有多個(gè)幅值較小的峰值，因此可選擇一定長(zhǎng)度信號(hào)的方差作為滑覺(jué)的特征值(圖6)。

如果給定一個(gè)閾值，即可在超過(guò)閾值的兩點(diǎn)判定為有觸覺(jué)和/或滑覺(jué)產(chǎn)生。

4 觸滑覺(jué)功能在肌電假手上的實(shí)現(xiàn)

在肌電假手的拇指上安裝觸滑覺(jué)傳感器。傳感器PVDF薄膜厚50μm，為增強(qiáng)靈敏度，將一片PVDF薄膜對(duì)折。壓電信號(hào)由電極引出。

安裝時(shí)，將PVDF材料連同基底材料彎曲成弧狀，貼在拇指的柱形面上，用低噪聲電纜線直接與電路板連接固定。包封表皮使用有紋路的橡膠材料。安裝好的傳感器用乳膠手套的指套套緊。

PVDF傳感器的輸出信號(hào)需要進(jìn)行預(yù)處理。信號(hào)處理電路框圖見(jiàn)圖7。

圖5 觸覺(jué)信號(hào)的特征值獲得

圖6 滑覺(jué)信號(hào)的特征值獲得

圖7 信號(hào)處理電路框圖

第一級(jí)電荷放大器采用高阻低噪聲、低失調(diào)集成運(yùn)算放大器，放大傳感器輸出的壓電信號(hào)。為減小電荷放大器的輸出電阻，增加電路帶負(fù)載的能力，電路的第二級(jí)為電壓跟隨電路，主要起阻抗匹配的作用。電路的第三級(jí)為有源低通濾波器，是一個(gè)二階的低通濾波器，用于完成電荷放大輸出信號(hào)的濾波和濾去高頻干擾信號(hào)。第四級(jí)為反相加法電路，因前端電路的輸出為-5～5 V(滿量程)，因此反向疊加電壓-5 V，放大0.5倍，使輸出電壓限定在0～5 V之間。此時(shí)空載輸出電壓為2.5 V(典型值)。當(dāng)觸滑覺(jué)傳感器受力時(shí)，電路輸出在0～5 V間變化。

經(jīng)模擬電路處理，傳感器信號(hào)輸入到單片機(jī)中；單片機(jī)根據(jù)信號(hào)特征，判斷觸覺(jué)和滑覺(jué)，通過(guò)肌電假手的表面肌電電極，控制假手動(dòng)作。PVDF觸滑覺(jué)反饋控制假手系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖8。

圖8PVDF觸滑覺(jué)反饋控制假手系統(tǒng)框圖

控制系統(tǒng)的輸入包括兩個(gè)部分：觸滑覺(jué)感知與手指開(kāi)、合動(dòng)作判斷。

觸滑覺(jué)感知部分根據(jù)觸滑覺(jué)傳感器的信號(hào)，運(yùn)用觸滑覺(jué)判斷算法，判斷物體是否被接觸和是否有滑動(dòng)趨勢(shì)。完成這種判別需要對(duì)傳感器反饋的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行處理，將信號(hào)響應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橛|覺(jué)和滑覺(jué)的有與無(wú)。手指開(kāi)合動(dòng)作需要由來(lái)自肌電假手表面肌電電極的開(kāi)、合信號(hào)控制。直流電機(jī)的控制系統(tǒng)根據(jù)這兩部分輸入，驅(qū)動(dòng)假手電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

當(dāng)有“合”信號(hào)時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)手指產(chǎn)生合手動(dòng)作；當(dāng)手指接觸到物體，觸滑覺(jué)傳感器響應(yīng)。如果手與物體接觸不夠緊，手與物體表面發(fā)生滑動(dòng)，產(chǎn)生滑覺(jué)響應(yīng)信號(hào)?？刂齐娐吩诘玫交X(jué)信號(hào)后，自動(dòng)發(fā)送一定脈寬的脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation, PWM)波，使電機(jī)正轉(zhuǎn)一定角度，以?shī)A緊物體。如果發(fā)送PWM波后仍有滑覺(jué)響應(yīng)，則繼續(xù)發(fā)送，并加大脈寬，直到產(chǎn)生觸覺(jué)信號(hào)為止。產(chǎn)生觸覺(jué)響應(yīng)信號(hào)，說(shuō)明假手已經(jīng)握緊物體。此時(shí)控制電路將發(fā)送占空比為1∶8的小脈寬PWM波，以維持假手的握緊狀態(tài)，假手可以安全地將物體提起。

在這種控制方式下，滑覺(jué)和觸覺(jué)信號(hào)實(shí)時(shí)反饋到控制電路中，對(duì)軟硬不同的物體都可以準(zhǔn)確地判斷握取狀態(tài)。

為驗(yàn)證肌電假手在安裝觸滑覺(jué)反饋裝置后的性能，進(jìn)行了實(shí)物握取試驗(yàn)，主要包括握取普通的玻璃杯、握取生雞蛋，以及夾持紙張的滑拔試驗(yàn)。

試驗(yàn)證明，握取玻璃杯時(shí)，裝有傳感器的手指一旦接觸到杯體，電機(jī)“合”的動(dòng)作自動(dòng)停止，可以安全地舉起玻璃杯。在握取裝有水的重杯子時(shí)，有滑覺(jué)響應(yīng)，假手自動(dòng)加大握力，直到?jīng)]有滑覺(jué)信號(hào)為止。

在握取雞蛋的試驗(yàn)中，假手在“合”的過(guò)程中碰到雞蛋后，有觸覺(jué)響應(yīng)，假手停止“合”的動(dòng)作。系統(tǒng)設(shè)定的觸覺(jué)響應(yīng)閾值不會(huì)將雞蛋捏碎，可以保證安全地將其握起。傳統(tǒng)的肌電假手，握緊與否需要使用者通過(guò)視覺(jué)判斷；使用觸滑覺(jué)傳感器后，能夠通過(guò)雞蛋與傳感器之間的觸滑覺(jué)，即壓力大小，判斷是否握緊，可以安全地將雞蛋握取，而不會(huì)捏碎，不需要視覺(jué)判斷，可以避免意外情況發(fā)生。

為了測(cè)試觸滑覺(jué)傳感器的滑覺(jué)能力，用白紙進(jìn)行滑拔測(cè)試。先使假手夾住一頁(yè)紙，操作者將白紙拔出，這時(shí)假手的傳感器表面與紙張發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，產(chǎn)生滑覺(jué)響應(yīng)信號(hào)，假手自動(dòng)加力。如果緩慢滑拔，手指可不斷加力，直至拉不動(dòng)；如果拔出速度過(guò)快，假手將無(wú)法握緊。這需要對(duì)控制系統(tǒng)的在線計(jì)算能力和性能進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

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Tactile and Slip Sensory Functions for Electromyogram Controlled Bionic Prosthetic Hand and Realization

JIANG Ming-wen1,ZHANG Xi-lin2,ZHANG Ji-chuan1
1.Department of Precision Instrument,Tsinghuan University,Beijing 100084,China;2.China Assisstive Device and Technology Centre for Persons with Disabilities,Beijing 100050,China

ZHANG Ji-chuan.E-mail:zjc-dpi@tsinghua.edu.cn

ObjectiveTo realize the tactile and slip sensory functions for electromyogram controlled prosthetic hand.MethodsThe piezoelectric membrane polyvinylidence floride(PVDF)was used to construct a transducer for the tactile and slip sensory feedback.The feature and piezoelectric response of PVDF and its mechanism of signal production were studied.The feedback control system was designed and a prototype for testing the tactile and slip sensor function was constructed and tested.ResultsandConclusionThe signal response of PVDF sensor is obviously,and the PVDF sensor can be used in practice.

bionic prosthetic hand;tactile and slip feedback;piezoelectric membrane sensor

10.3969/j.issn.1006-9771.2017.01.026

R496

A

1006-9771(2017)01-0110-04

2015-01-30

2016-03-03)

1.清華大學(xué)精密儀器系，北京市100084；2.中國(guó)殘疾人輔助器具中心，北京市100050。作者簡(jiǎn)介：姜明文(1978-)，男，漢族，吉林河口市人，碩士，工程師，主要研究方向：康復(fù)工程。通訊作者：張濟(jì)川。E-mail:zjc-dpi@tsinghua.edu.cn。