仿生假手的阵列式电触觉反馈系统及策略研究

发布时间：2020-04-06 11:19

【摘要】：仿生假手在其机械结构和控制方法方面取得了长足的进步,但如何使患者真正像使用人手一样对物体进行感知,从而获得本体感是影响假手接受程度的一个重要因素。本文基于电刺激反馈建立了一个阵列式电触觉反馈系统,提出了相应的反馈策略,并结合HIT-V假手开展了交互控制实验。本文首先对国内外触觉反馈的方法和现状进行了研究分析,确定了进行触觉反馈的基本手段和技术路线,即将阵列式反馈和电刺激反馈有机结合起来,搭建触觉反馈系统并在此基础上开展相关策略研究。为了减小电刺激过程中的电刺激噪声并提升电刺激效果,本文结合人体组织电场模型和神经兴奋模型,提出了一种电刺激电极优化设计方法,使用有限元仿真对理论模型进行了补充和验证。本文开展实验验证了模型和理论的正确性,并对电极安全性进行了研究,从而确保后续实验对人体的无害性。为了确保人体对电触觉反馈信息的快速响应,基于电压源刺激,本文设计研制了具有独立多通道皮肤-电极阻抗测量功能的电刺激器,可以利用上位机对其进行控制以实现16通道电刺激波形的调制、实时阻抗测量、刺激电压动态调节等功能,确保电刺激过程的人体安全性和感觉一致性。为了提出合适的电刺激反馈策略以传递丰富的触觉信息,本文在开展认知心理学实验的基础上,通过对比不同策略的辨别正确率,提出了基于阵列时空编码的混合电触觉反馈策略,并通过力跟踪实验进行了策略验证,证明了触觉反馈系统及其策略的可行性。为了验证触觉反馈系统在实际交互控制的可靠性,本文将其和现有假手系统进行了整合,并开展了物体抓取实验。实验结果表明HIT-V假手搭载本文设计的触觉反馈系统,并结合触觉反馈策略,能够按照人体意识实现抓取过程中抓取力的有效控制,确保了整个抓取过程的快速性和稳定性,有一定的实际意义。
【图文】：

革命性,假肢

图 1-2 DARPA 的革命性假肢[18]另外，按照人体对于触觉信息的理解方式，触觉反馈方式可以分为躯配反馈（Somatotopic Matched Feedback）、模态匹配反馈（Modality Mack）和感觉替代反馈（Sensory Substitution Feedback）[19]三种类型。躯体特定区匹配反馈（Somatotopic Matched Feedback）主要基于神经科理，向患者提供反馈，能够使患者产生一种类似于直接刺激自身躯体的很快地对反馈信号进行理解，大大减少认知负担。目前主要的实现方神经刺激（Direct Neural Stimulation）、定向神经移植技术（Tervation）和神经映射（Nerve Remapping）[18]等。其中直接神经刺激移植技术需要使用外科手术建立起与人体神经的通道，，这种侵入式的染和免疫排斥的风险，并且目前神经解码、电极置换等核心技术问题根本解决[20]。神经映射（Nerve Remapping）主要是通过激发出截肢患者的幻感（Ption）来实现的。幻感主要表现为截肢者仍存在有身体被截肢部分的感射（Phantom Mapping）的构建依赖于刺激残肢而刻意地诱发出这些幻

触觉反馈

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文对于学习认知的需求较低。目前，利用模械触觉反馈（mechanotactile feedback），系统将接触力或者握力转换为施加在患者 B)所示。为了实现这一目标，文献中提到了服电机[26]和音圈电机[27]等。研究表明，患联系，并且能够减少在恒力抓取过程中产提供梯度变化的力作为反馈信号，患者可力，如图 1-3 所示。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH77

【参考文献】