一种多模态力触觉感知及刺激反馈的智能灵巧假

本发明属于医疗康复领域，尤其涉及一种多模态力触觉感知及刺激反馈的智能灵巧假肢系统。背景技术：1、人手可以通过各个关节的联动实现五指的协调运动、多种动作模式，可以抓取、操作形状各异的物体和工具，是人体运动系统中最重要的器官之一。然而在我们周围生活着很多因手部损伤和病变导致截肢的患者，失去手部使他们工作和生活能力大大降低，他们对人手功能再造具有迫切的需求和渴望。但目前人类尚无法通过生物学的方法实现缺失肢体的再造。因此，研制具有人手功能的智能灵巧假肢手部装置具有重大的现实意义和社会需求。2、对比现有假肢手部装置，在市面上销售的智能类假肢手部相关的产品主要以国外的为主，如德国ottobock公司bebionic手、英国i-limb手、美国约翰·霍普金斯大学生肌电控制机械手臂等，这类产品主要是通过肌电信号驱动手部机构运动，根据内部结构设计不同，实现不同的手部动作，以达到日常生活的手部作业基本需求，还有其它相关的如意大利pisa/iit softhand机械手、utah/mit机械手，dlr/hit机械手系统等都处于科研的阶段，因使用、控制及复杂度等多因素制约，需要继续进行优化。针对国内在售的智能类手部假肢较少，多数的功能比较单一，部分以3指驱动为主，在人机交互控制方面还有待进一步提升。上海交通大学研制的sjt-4仿人机械手通过肌电信号进行控制，但多用于科研阶段，未达到商品化水平。3、当前对于人体上肢的运动研究大多集中于人体手臂和手部运动/动力特性的解析，缺乏对于臂手联合规划和腕手协同操作的分析，导致假肢运动自由度较少，运动不自然，难以实现复杂物体的稳定抓握。同时大部分假肢系统不具备灵活感知功能，主要依靠患者进行控制模式的调整，限制了假肢的操作抓取能力。4、因此，需要一种多模态力触觉感知及刺激反馈的智能灵巧假肢系统，可以进行臂手联合规划和腕手协同操作的分析，并具备灵活感知功能，能够解决大多数假肢系统无法对复杂物体进行稳定、自主抓握的问题，尤其对失明及上肢残缺的患者提供了更大的便利。技术实现思路1、本发明提出一种多模态力触觉感知及刺激反馈的智能灵巧假肢系统，可以进行臂手联合规划和腕手协同操作的分析，并具备灵活感知功能，能够解决大多数假肢系统无法对复杂物体进行稳定抓握的问题。2、本发明提供一种多模态力触觉感知及刺激反馈的智能灵巧假肢系统，包括上位机模块、下位机模块和接受腔模块以及与人体上肢位置相对应的手心、手背、手指、手腕和手臂；所述上位机模块为所述假肢系统的上层应用，并与所述下位机模块无线连接，以便实现对所述下位机的控制及关键信息的状态显示；所述下位机模块分别与所述接受腔模块的两端连接，包括主控模块、力触觉感知模块、手部运动控制模块、腕部运动控制模块、视觉感知模块、肌电感知模块、距离感知模块和臂带刺激模块，用于将所述下位机模块获取的信息通过无线传输给所述上位机模块，实现所述上位机模块向下位机模块传输指令；所述接受腔模块为所述假肢系统的手臂支撑骨架结构，其内部空腔放置残肢手臂末端，用于完成整个假肢系统的手部装置的佩戴。3、进一步地，所述主控模块设置在所述接受腔模块内部，所述主控模块分别与所述力触觉感知模块、所述手部运动控制模块、所述腕部运动控制模块、所述视觉感知模块、所述肌电感知模块、所述距离感知模块、所述臂带刺激模块电性连接，用于对获取的信号进行处理，并传递给所述上位机模块；所述肌电感知模块设置在所述接受腔模块且靠近残肢手臂一侧，用于肌电信号的采集和处理，并传递给所述主控模块；所述臂带刺激模块设置在所述残肢手臂的大臂上，用于对所述主控模块传递的信息进行解析并传递振动或电刺激信息给大臂皮肤；所述腕部运动控制模块设置在所述接受腔模块且远离残肢手臂一侧，用于实现所述假肢系统的手腕旋转与翻转；所述距离感知模块设置在所述假肢系统的手心且靠近所述腕部运动控制模块一侧，用于测量所述假肢系统手部与物体之间的距离并进行距离信息反馈；所述视觉感知模块设置在所述手部运动控制模块上的拇指与食指之间的虎口位置，且远离残肢手臂一侧，用于采集、处理图像信息并传递给所述主控模块，其用于手部姿态自动调整；所述力触觉感知模块设置在所述手部运动控制模块上的各个指尖端、手掌端，且远离残肢手臂一侧，用于将采集的压力信号进行处理并传递给所述主控模块；所述手部运动控制模块设置在所述力触觉感知模块的背对面，用于实现所述假肢系统的手部不同姿态。4、进一步地，所述力触觉感知模块包括压力传感器和触觉处理板；若干所述压力传感器分别设置在所述假肢系统的手指及手心位置，并通过导线与所述触觉处理板电性连接，用于采集压力信息；所述触觉处理板设置在所述压力传感器且靠近所述假肢系统手腕一侧，并通过第一导线与所述主控模块电性连接，用于将所述压力传感器采集到的信息进行处理，并传递给所述主控模块。5、进一步地，所述手部运动控制模块包括手部控制电路板、手部驱动电机和手指运动机构；所述手部控制电路板设置在所述假肢系统手背位置，并通过第二导线与所述主控模块电性连接，用于接受与反馈所述主控模块的控制信号；所述手部驱动电机设置在所述手部控制电路板与所述手指运动机构之间，并通过导线与所述手部控制电路板电性连接，用于接收所述手部控制电路板的控制信号，并带动所述手指运动机构运动；所述手指运动机构分别设置在所述假肢系统的5个手指上，并分别与所述手部驱动电机连接，用于实现每个手指的单独运动，以便实现不同的手部姿态。6、进一步地，所述腕部运动控制模块包括腕部控制电路板、腕部驱动电机和腕部运动机构；所述腕部控制电路板设置在所述接受腔模块内部且靠近所述手部运动控制模块一侧，并通过导线与所述主控模块电性连接，用于接收与反馈所述主控模块的控制信号；所述腕部驱动电机分别设置在所述假肢系统腕部下端的两侧，并分别通过第三导线与所述腕部控制电路板电性连接，用于接收所述腕部控制电路板的控制信号，并带动所述腕部运动机构运动；所述腕部运动机构分别设置在所述假肢系统腕部上端的两侧，并分别与所述腕部驱动电机连接，用于实现手腕的旋转与翻转运动。7、进一步地，所述距离感知模块包括距离感应传感器；所述距离感应传感器设置在所述假肢系统的手心且靠近所述腕部运动控制模块一侧，并通过第五导线与所述主控模块电性连接，用于测量所述假肢系统手部与物体之间的距离，以便将距离信息反馈给所述主控模块。8、进一步地，所述肌电感知模块包括肌电电极和肌电处理板；若干所述肌电电极设置在所述肌电感知模块的下端，并与所述肌电处理板电性连接，用于采集肌电信号，并传递给所述肌电处理板；所述肌电处理板设置在所述肌电感知模块的一侧面，并通过第四导线与所述主控模块电性连接，用于对肌电信号进行处理并传递给所述主控模块。9、进一步地，所述视觉感知模块包括摄像头和视觉信息处理板；所述摄像头设置在所述假肢系统虎口位置，并通过fpc线与所述视觉信息处理板电性连接，用于采集图像信息；所述视觉信息处理板设置在所述主控模块且靠近所述假肢系统手腕一侧，并与所述主控模块电性连接，用于对采集到的图像信息进行处理，并传递给所述主控模块。10、进一步地，所述肌电感知模块的采集通道数量与所述手部驱动电机数量和所述腕部驱动电机数量对应。11、进一步地，所述臂带刺激模块包括振动电机、刺激电极、臂带信息处理单元和type-c口；若干个所述振动电机设置在布料上，并与所述臂带信息处理单元电性连接，用于将振动信号传递给大臂皮肤；若干所述刺激电极设置在布料上，并与所述臂带信息处理单元电性连接，用于将电刺激信号传递给大臂皮肤；所述臂带信息处理单元设置在布料上，其一侧面设有type-c口；所述臂带信息处理单元通过所述type-c口中的type-c连接线与所述主控模块电性连接，用于将所述主控模块上的传感器信息传递给所述臂带信息处理单元。12、本发明有益效果是，与现有技术相比，提供了一种多模态力触觉感知及刺激反馈的智能灵巧假肢系统。实现基于视觉的手部姿态微调控制，自动调整手部姿态以适应最优的抓、握的姿态，提升作业效率。实现肌电信号的采集与控制输入，通过身体本身的肌电信号对手部的运动进行控制。实现力触觉传感器、距离传感器的感知控制反馈，根据手指端压力大小、距离大小及手、腕部的运动状态进行振动、电刺激反馈，便于感知手部抓、握的力度、距离及姿态。实现手部与腕部的联合运动，提升抓取、控制的效率。实现整套灵巧假肢系统的构成与应用。