自適應穿戴式柔順外骨骼康復機械手的控制系統的製作方法

2024-01-19 20:39:15

本發明涉及一種機械手控制系統，特別涉及一種自適應穿戴式柔順外骨骼康復機械手的控制系統，屬於機械手控制技術領域。

背景技術：

手是人類能夠具有高度智慧的三大重要器官之一，手部功能、結構的複雜性使手功能康復具有效果差、周期長、任務重等問題。隨著外骨骼機器人技術不斷發展，外骨骼康復機械手以其可穿戴、高精度動作控制、便攜等特點逐漸成為手功能康復的重要手段。目前，現有的外骨骼機械手多是針對手功能障礙的患者進行手部功能恢復訓練而設計的，雖然在一定程度上減輕了醫護人員的壓力，但由於訓練模式單一，患者參與意識低，訓練效果並不顯著。同時，針對無法將手部功能徹底恢復如初的患者，一味地進行訓練並不是幫助患者回歸生活的有效途徑。

康復醫學的臨床研究表明，有患者運動意圖主動參與的康復訓練對於患者神經系統重建和運動功能恢復更加有效，這就需要精確識別患者的運動意圖，以便有效地驅動機器人按照患者意願運動，同時需要根據患者病情進行力量輔助。而基於表面肌電信號的信息來識別患者運動意圖的系統已獲得廣泛研究，目前常見的由肌電信號來控制的機械手多為代償性的假肢，對於肢體完整但功能受損的患者並不適用。

功能性電刺激（functionalelectricalstimulation，fes）是利用微小的電脈衝序列誘發肌肉收縮，重建肢體運動功能的神經康復技術之一，主要用於因中風和脊髓損傷等神經損傷性疾病導致肢體運動功能喪失的患者的運動功能重建。相比其他康復技術，fes還有助於促進血液循環，防止肌肉廢用性萎縮，促進肌肉再學習，具有不可估量的研究價值。

技術實現要素：

本發明提出了一種自適應穿戴式柔順外骨骼康復機械手的控制系統，通過採集控制手部運動肌肉的表面肌電信號作為輸入反饋，實現對患者手功能性電刺激驅動方式和柔順外骨骼康復機械手直線推桿電機驅動方式的協同控制，肌力較為健全的患者可以通過功能性電刺激的方式進行自主的康復訓練，肌力較差的患者也可以藉助直線推桿電機的助力完成康復訓練；同時在機械手上安置了柔性角度傳感器和壓力傳感器，分別用於對手指屈曲角度和指尖壓力的實時反饋，實現對機械手的自適應控制，從而為患者提供日常的生活輔助。

為實現上述目的，本發明的技術方案是：一種自適應穿戴式柔順外骨骼康復機械手的控制系統，包含穿戴式柔順外骨骼康復機械手、肌電採集/刺激導聯模塊和控制器；所述控制器包含表面肌電信號採集模塊、直線推桿電機驅動模塊、功能性電刺激模塊，所述採集/刺激導聯模塊連接表面肌電信號採集模塊和功能性電刺激模塊，由表面肌電信號採集模塊採集患者患側手臂控制手部運動的肌肉的表面肌電信號並將所述表面肌電信號由模擬量轉為數字量，並通過功能性電刺激模塊對患者手臂的肌肉進行功能性功能性電刺激，所述直線推桿電機驅動模塊通過鮑登線纜與穿戴式柔順外骨骼康復機械手端的柔性驅動推桿相連；穿戴式柔順外骨骼康復機械手端的柔性驅動推桿處放置拉力傳感器，由直線推桿電機驅動模塊驅動柔性驅動推桿來帶動患者手指運動；用於補償功能性電刺激不足的力矩，實現對患者手功能性電刺激驅動方式和柔順外骨骼康復機械手直線推桿電機驅動方式的協同控制。

所述的肌電採集/刺激導聯模塊包括兩個通道和乾電極，其中，一個通道用於採集手臂上控制手部伸展運動肌肉的肌電信號或刺激手臂上控制手部伸展運動肌肉，另一個通道用於採集手臂上控制手部屈曲運動肌肉的肌電信號或刺激手臂上控制手部屈曲運動肌肉，且兩通道通過分時復用方式實現肌電採集和功能性電刺激。

所述控制器還包括模式識別模塊，疲勞檢測模塊，傳感器反饋模塊，所述模式識別模塊用於將採集到的表面肌電信號進行處理，識別當前的手勢動作；所述疲勞檢測模塊用於通過表面肌電信號頻譜的中位頻率向低頻段偏移量來進行肌肉疲勞的判斷檢測；所述傳感器反饋模塊包括柔性角度傳感器和壓力傳感器，柔性角度傳感器放置於患者手指指背部，用於感知患者手指的屈曲角度，當屈曲角度達到最小限位時，停止直線推桿電機驅動模塊驅動柔性驅動推桿，防止二次傷害，所述壓力傳感器放置於患者手指的指尖部位，用於感知患者抓取物品時的壓力大小，實現患者抓握力的自適應調節控制反饋。

所述拉力傳感器連接控制器，所述拉力傳感器感知手指的拉力變化，由控制器對正常牽動穿戴式柔順外骨骼康復機械手的力與拉力傳感器感知到的力進行比較，當拉力傳感器感知到的力小於正常牽動穿戴式柔順外骨骼康復機械手的力的時，驅動柔性驅動推桿補償手部不足的力矩。

所述控制器採用兩個單片機，一個單片機連接表面肌電信號採集模塊、模式識別模塊、疲勞檢測模塊，用於控制與肌電信號相關的處理，另一個單片機連接直線推桿電機驅動模塊、傳感器反饋模塊、功能性電刺激模塊，用於控制與直線推桿電機驅動和功能性電刺激相關的功能；兩塊單片機之間使用can協議進行數據通信。

本發明的有益效果在於：本發明提供了一種以功能性電刺激為主，電機驅動為輔的自適應穿戴式柔順外骨骼康復機械手的控制系統，功能性電刺激方式中短小的肌電刺激有助於神經的重塑和肌力的提高，而直線推桿電機驅動方式可以為患者提供手部不足的力矩補償。同時，功能性電刺激可以對患側手部進行反向的肌電刺激，達到緩解患側的手部痙攣的效果。本發明不僅可以幫助患者進行手部康復和訓練，還可為患者提供日常的生活輔助，更有助於患者回歸家庭、回歸社會。

附圖說明

圖1是本發明的自適應穿戴式柔順外骨骼康復機械手的控制系統的功能原理示意圖；

圖2是本發明的自適應穿戴式柔順外骨骼康復機械手的控制系統結構框圖；

圖3是本發明的自適應穿戴式柔順外骨骼康復機械手的控制系統流程圖；

圖4是本發明的自適應穿戴式柔順外骨骼康復機械手的控制系統中肌電採集及電刺激示意圖；

圖5為穿戴式柔順外骨骼康復機械手結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。

如圖1至圖5所示，一種自適應穿戴式柔順外骨骼康復機械手的控制系統，包含穿戴式柔順外骨骼康復機械手、肌電採集/刺激導聯模塊和控制器；控制器包含表面肌電信號採集模塊、直線推桿電機驅動模塊、模式識別模塊，疲勞檢測模塊，傳感器反饋模塊，功能性電刺激模塊。採集/刺激導聯模塊連接表面肌電信號採集模塊和功能性電刺激模塊，由表面肌電信號採集模塊採集患者患側手臂控制手部運動的肌肉的表面肌電信號並將所述表面肌電信號由模擬量轉為數字量，並通過功能性電刺激模塊對患者手臂的肌肉進行功能性功能性電刺激，直線推桿電機驅動模塊通過鮑登線纜與穿戴式柔順外骨骼康復機械手端的柔性驅動推桿相連；由直線推桿電機驅動模塊驅動柔性驅動推桿來帶動患者手指運動；用於補償功能性電刺激不足的力矩，實現對患者手功能性電刺激驅動方式和柔順外骨骼康復機械手直線推桿電機驅動方式的協同控制。

如圖5所示，穿戴式柔順外骨骼康復機械手，包括大拇指1、食指2、中指3、無名指4、小拇指5、固定綁帶6、柔性驅動推桿7、手背支撐板8、手指固定架9、鮑登線纜11、大拇指固定架12、大拇指端支撐板13、電機箱蓋15、電機箱16。由於柔順外骨骼康復機械手採用柔順機構設計，使得該機械手既具有柔性手可調整性強的特點，又具有剛性手補償大的特點。

肌電採集/刺激導聯模塊包括兩個通道和乾電極，兩個通道分別為通道i和通道ii，其中，每個通道均包含兩個乾電極，通道i用於採集手臂上控制手部伸展運動肌肉的肌電信號或刺激手臂上控制手部伸展運動肌肉（橈側腕長伸肌），通道ii採集手臂上控制手部屈曲運動肌肉的肌電信號或刺激手臂上控制手部屈曲運動肌肉（尺側腕伸肌）。兩通道通過分時復用方式實現肌電採集和功能性電刺激。

為了滿足控制系統實時性強、數據處理量大的要求，使用單塊單片機系統在某些性能上不能達到要求，主要表現在單片機運算速度低和系統存儲空間有限，因此，採用多單片機系統，使用一片單片機控制與肌電信號相關的處理，包括表面肌電信號採集模塊、模式識別模塊、疲勞檢測模塊，使用另外一片單片機來控制與直線推桿電機驅動和功能性電刺激相關的功能，包括直線推桿電機驅動模塊、傳感器反饋模塊、功能性電刺激模塊。兩塊單片機之間使用can協議進行數據通信。

表面肌電信號採集模塊，用於採集患者患側手臂控制手部運動的肌肉的表面肌電信號並將所述表面肌電信號由模擬量轉為數字量。

模式識別模塊，用於將採集到的表面肌電信號進行處理，識別當前的手勢動作。

疲勞檢測模塊，通過表面肌電信號頻譜的中位頻率向低頻段偏移量來進行肌肉疲勞的判斷檢測。

直線推桿電機驅動模塊，通過驅動直線推桿電機來帶動繩索進而帶動滑竿，從而實現帶動患者手指運動的目的。

傳感器反饋模塊，使用的傳感器包括柔性角度傳感器和壓力傳感器，柔性角度傳感器放置於患者手指背部，用於感知患者手指的屈曲角度，當屈曲角度達到最小限位時，停止直線推桿電機驅動模塊驅動柔性驅動推桿，防止二次傷害。壓力傳感器放置於患者手指的指尖部位，用於感知患者抓取物品時的壓力大小，實現患者抓握力的自適應調節控制反饋。

功能性電刺激模塊，通過對患者手臂的肌肉進行功能性功能性電刺激，實現患者神經的重塑，也可在患者手部痙攣時，通過反向刺激患者強直收縮的肌肉來緩解痙攣症狀。與採集表面肌電信號模塊交替工作，延緩患者因長時間進行功能性電刺激產生的肌肉疲勞。

首先，需要患者提供對手部的主動控制意識，通過手臂上的乾電極拾取表面肌電信號，然後經過導聯傳到控制器，由控制器中的肌電處理單片機進行相應的處理。同時，拉力傳感器感知到手指的拉力變化。

然後肌電處理的單片機對採集到肌電信號，經過儀表放大電路進行阻抗匹配和差分放大，再經過巴特沃斯型的低通濾波器和二階高通濾波器完成濾波，再由50hz陷波器濾除工頻信號的幹擾，最後經過增益放大調節器，將表面肌電信號放大到一個合適的範圍內，完成濾波後將信號輸送模式識別模塊，模式識別模塊進行手部動作的識別，首先判斷傳入的肌電信號是否正常，若不正常，通過對異常值的比較，確定導聯是否連接正常，若正常，則開始正常的採樣分析：通過fft變換將信號由時域變換到頻域，繼而獲得積分值、峰峰值、中位頻率等信息，將獲取到的相應動作的特徵值與給出的標準手部運動動作的肌電信號的特徵量進行比對，識別出當前的動作，確定患者的意圖，將識別出的動作指令和動作的特徵值傳給功能性電刺激模塊，功能性電刺激模塊根據接收到的動作指令開啟相應通道的電刺激，根據接收到的動作特徵值設置相應的電刺激強度和頻率；同時疲勞檢測模塊，通過表面肌電信號頻譜的中位頻率向低頻段偏移實現的疲勞判斷，若檢測到肌肉疲勞，則發送停止指令給功能性電刺激模塊和直線推桿電機驅動模塊，提示患者當前肌肉已進入疲勞狀態。

拉力傳感器感知到手指的拉力變化後，控制器對正常牽動穿戴式柔順外骨骼康復機械手的力與拉力傳感器感知到的力進行比較，當拉力傳感器感知到的力大於正常牽動穿戴式柔順外骨骼康復機械手的力的時，不對直線推桿電機進行驅動；當拉力傳感器感知到的力小於正常牽動穿戴式柔順外骨骼康復機械手的力的時，驅動直線推桿電機補償手部不足的力矩。

在整個使用過程中，柔性角度傳感器實時採集和反饋手指關節的屈曲角度，以免電機的過度牽引對患者造成二次傷害。同時，痙攣檢測是根據柔性角度傳感器實時採集到的手指關節的屈曲角度實現的，若檢測到相同時間間隔內前後兩次手指的屈曲角度差值存在異常，則停止電機的驅動牽引，同時開啟功能性電刺激模塊，對患側手部進行反向的肌電刺激，達到緩解患側的手部痙攣的效果。