[发明专利]可穿戴式功能增强机器手系统及其辅助手指和控制方法

权利要求书

1.一种辅助手指，其特征在于，包括仿人手指、手指基座、电机a2、电机a3、电机a4，其中，所述仿人手指采用驱动绳驱动，并具有夹持自由度、屈伸自由度和回收自由度三个自由度；所述电机a4直接与仿人手指驱动连接，用于实现仿人手指的回收自由度；所述电机a4的转轴上连接有减速器，所述减速器的输出轴上连接有一个用于实现仿人手指夹持自由度的转轴，所述仿人手指通过驱动绳依次连接转轴和驱动电机a2，所述转轴与驱动电机a2驱动连接；所述仿人手指通过驱动绳与电机a3驱动连接，用于实现仿人手指的弯曲自由度；

所述仿人手指连接在手指基座上；所述手指基座设有控制板安装面c2、腕部连接器c3和模块化关节接口c1，其中：

所述控制板安装面c2上安装有控制面板，所述控制面板与电机a2、电机a3、电机a4控制连接；

所述腕部连接器c3上设有用户手腕；

所述模块化关节接口c1上安装有三自由度模块化关节；

所述模块化关节接口c1设有关节连接法兰，所述三自由度模块化通过关节连接法兰与手指基座紧固连接；所述用户手腕设有至少一个用户腕部几何适配接口；所述仿人手指通过驱动绳、预紧部件以及手指连接法兰与三自由度模块化关节连接。

2.根据权利要求1所述的辅助手指，其特征在于，所述电机a2、电机a3和电机a4上分别设有码盘，用于控制仿人手指的位置。

3.根据权利要求1所述的辅助手指，其特征在于，所述转轴与驱动电机a2之间设有绳驱动滑轮p1；所述仿人手指与驱动电机a3之间设有绳驱动滑轮p2；所述驱动绳分别绕过绳驱动滑轮p1和绳驱动滑轮p2，并分别形成闭合回路；

所述绳驱动滑轮p1和绳驱动滑轮p2分别固定在转轴上。

4.根据权利要求1所述的辅助手指，其特征在于，所述辅助手指还包括：位置传感器和力传感器，其中：

所述仿人及其手指的每一个手指关节上均设有一个位置传感器，用于检测手指关节位置信息，进而得到每个手指关节的弯曲角度；

所述力传感器包括与驱动绳连接的弹簧以及用于检测弹簧变形所产生电位的线性电位计，通过检测到的电位得到弹簧的变形量，进而得到每个手指关节力/力矩的大小。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的辅助手指，其特征在于，所述仿人手指包括对称设置的两根连杆结构，其中，每一根连杆结构均包括第一连杆和第二连杆，所述第一连杆和第二连杆之间通过铰接方式连接。

6.一种可穿戴式功能增强机器手系统，其特征在于，包括自适应前臂连接器b1、上臂连杆b2、前臂连杆b4、环形肌电采集阵列以及权利要求1至5中任一项所述的辅助手指，其中：

所述自适应前臂连接器b1通过球关节与上臂连杆b2连接，所述上臂连杆b2通过铰接机构b3与前臂连杆b4连接，所述前臂连杆b4通过球关节接口b5与辅助手指手指基座的腕部连接器c3连接；

所述环形肌电采集阵列设置于前臂连杆上；

所述上臂连杆b2和前臂连杆b4的长度可调节。

7.根据权利要求6所述的可穿戴式功能增强机器手系统，其特征在于，所述铰接机构b3的转轴上设有码盘，用于记录人体肘部位置信息。

8.一种可穿戴式功能增强机器手系统的控制方法，其特征在于，采用基于肌电的等长收缩控制方式，在使用者手部不运动但是存在肌肉收缩情况下，通过环形肌电采集阵列采集到的肌电信号，经过模式识别，判断使用者运动意图，实现初步的手势控制。

9.根据权利要求8所述的可穿戴式功能增强机器手系统的控制方法，其特征在于，还包括如下步骤：通过对仿人手指的刚度评估和连续运动估计，实现仿人手指的阻抗控制和连续位置控制，并与力传感器获得的每个手指关节力/力矩以及电机a2、电机a3和电机a4的码盘控制的每个手指关节的弯曲角度，构建特定的人机协同控制策略。

10.根据权利要求9所述的可穿戴式功能增强机器手系统的控制方法，其特征在于，所述阻抗控制具体为：通过力传感器获得的力信息和环形肌电采集阵列获得的肌电信号进行信息融合，以获得相应的刚度序列，并用于控制手指刚度，实现人机协同控制；

所述连续位置控制具体为：基于肌电信号的连续运动估计，构建基于手指关节弯曲角度和肌电信号之间的线性关系。