專(zhuān)利名稱(chēng)：帶觸覺(jué)的肌電仿生電動(dòng)假手及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于帶觸覺(jué)的肌電仿生電動(dòng)假手的技術(shù)，涉及到有觸覺(jué)的肌電電動(dòng)假手及其控制技術(shù)。
背景技術(shù)：
肌電信號(hào)(EMG)是伴隨人體骨骼肌活動(dòng)所產(chǎn)生的生物電信號(hào)，是產(chǎn)生肌肉力的電信號(hào)根源，它與心電(ECG)、腦電(EEG)一樣，是最早被人們認(rèn)識(shí)的一種生物電現(xiàn)象之一。采集EMG信號(hào)所使用的拾電電極有針形電極(插入肌肉組織)和表面電極(粘附于活動(dòng)肌肉的皮膚表面)，前者能檢測(cè)個(gè)別運(yùn)動(dòng)單元(肌纖維)的動(dòng)作電位，所以有很強(qiáng)的針對(duì)性，但檢測(cè)過(guò)程對(duì)受試者有損傷；后者被稱(chēng)為表面EMG，在生物機(jī)理上表現(xiàn)為許多運(yùn)動(dòng)單元產(chǎn)生的動(dòng)作電位序列的總和，是多個(gè)肌纖維生物電在皮膚表面形成的綜合現(xiàn)象。盡管表面EMG不能確切反映個(gè)別肌纖維的電活動(dòng)，信號(hào)混雜，噪聲也較大，但由于其使用方便，對(duì)使用者無(wú)損傷，所以應(yīng)用廣泛，目前正逐漸成為人工動(dòng)力假肢理想的控制信號(hào)源。人的手部動(dòng)作依賴(lài)許多肌肉的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)完成，不同的手部動(dòng)作具有不同的肌肉收縮模式(動(dòng)作模式)，這些模式的差別必將反映在對(duì)應(yīng)肌群的EMG特征差異上，通過(guò)提取這些特征，進(jìn)行模式分類(lèi)，可以區(qū)分不同的手部動(dòng)作模式。對(duì)于手被截肢的殘疾人，通過(guò)檢測(cè)方法提取截肢者自身殘端或臂部的表面EMG信息去控制人工電動(dòng)假手，可以有機(jī)地將人腦的思想動(dòng)作與人工電動(dòng)假手的模擬運(yùn)動(dòng)聯(lián)系起來(lái)，達(dá)到假手仿生控制的目的。目前電動(dòng)假肢的實(shí)用化尚處在起步階段，肌電電動(dòng)手一般只控制假手的張開(kāi)和閉合(開(kāi)關(guān)控制)，假手本身沒(méi)有任何感覺(jué)，這在實(shí)際應(yīng)用時(shí)存在以下困難由于沒(méi)有“接觸”感覺(jué)，抓握與松開(kāi)完全靠視覺(jué)反饋，容易引起過(guò)抓緊或欠抓緊，導(dǎo)致的后果是被抓物握碎或滑落，并且可能有如下的尷尬場(chǎng)面，即，當(dāng)佩戴電動(dòng)假手的殘疾人用假手與正常人握手時(shí)，由于沒(méi)有觸覺(jué)，可能會(huì)握得很緊。假手觸覺(jué)包括接觸覺(jué)和滑動(dòng)覺(jué)兩部分，接觸覺(jué)是假手與被抓(握)物體發(fā)生接觸時(shí)的物理感覺(jué)，滑動(dòng)覺(jué)是當(dāng)被抓(握)物體與假手間發(fā)生相對(duì)位移時(shí)的物理感覺(jué)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是要提供一種帶觸覺(jué)的肌電仿生電動(dòng)假手，將假手的觸覺(jué)反饋給現(xiàn)有肌電電動(dòng)假手及人體，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題；并提供相應(yīng)感覺(jué)信號(hào)的檢測(cè)及處理控制的方法。
本發(fā)明假手的技術(shù)方案包括裝在殘臂上的拾電電極及其對(duì)應(yīng)的肌電信號(hào)處理電路、A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集、由計(jì)算機(jī)輸出控制信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路帶動(dòng)電動(dòng)假手，其特征是有仿人手指型觸滑覺(jué)一體化傳感器，其信號(hào)引出線(xiàn)連接信號(hào)調(diào)理電路和輸出接觸覺(jué)或滑動(dòng)覺(jué)信息的單片機(jī)系統(tǒng)，其感覺(jué)信息輸出口連接肌電信息測(cè)試處理控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)。另一路接觸覺(jué)或滑動(dòng)覺(jué)輸出信息與殘臂上可施加刺激脈沖的電極連接。
本發(fā)明的帶觸覺(jué)的肌電仿生電動(dòng)假手的控制方法，系指感覺(jué)(接觸覺(jué)、滑動(dòng)覺(jué))信號(hào)的檢測(cè)、處理、與肌電信息協(xié)同控制的方法。其特征是由觸滑覺(jué)一體化傳感器傳出壓電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路，輸出能有效傳遞觸滑覺(jué)特征信息的電壓信號(hào)，由單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集和信息處理獲取有無(wú)接觸或有無(wú)滑動(dòng)的信息并輸入肌電信息測(cè)試處理控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，協(xié)同肌電信息控制假手驅(qū)動(dòng)電機(jī)的開(kāi)關(guān)、方向及電流(控制握力大小)，操動(dòng)帶觸覺(jué)的肌電仿生電動(dòng)假手。
本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)假手觸覺(jué)與假手的肌電控制有機(jī)結(jié)合，使假手控制過(guò)程受到肌電信號(hào)和感覺(jué)信號(hào)的雙重制約，達(dá)到比較理想的仿生控制。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)關(guān)系示意圖；圖2為本發(fā)明電動(dòng)仿生假手與測(cè)試電路實(shí)樣圖；圖3為帶觸覺(jué)手指與處理電路連接關(guān)系示意圖；圖4為帶觸覺(jué)手指結(jié)構(gòu)示意圖；圖5中(a)和(b)是典型的接觸和滑動(dòng)響應(yīng)信號(hào)曲線(xiàn)示意圖；圖6為肌電信號(hào)模型示意圖；圖7為參數(shù)模型法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合處理表面肌電信號(hào)獲取假手動(dòng)作模式示意圖；圖8為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類(lèi)器示意圖。
具體實(shí)施例方式
參照附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式本發(fā)明如圖1所示由兩組拾電電極及其對(duì)應(yīng)的肌電信號(hào)處理電路、A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集、計(jì)算機(jī)完成的假手運(yùn)動(dòng)的模式狀態(tài)識(shí)別算法、電動(dòng)假手、人工觸覺(jué)及其信號(hào)處理算法、觸覺(jué)反饋裝置、假手控制策略等軟硬件組成。最終形成一個(gè)具有觸覺(jué)檢測(cè)及其電刺激反饋、通過(guò)大腦→神經(jīng)→前臂肌肉→肌電信號(hào)→計(jì)算機(jī)信息處理及控制→假手控制電機(jī)這樣一種控制途徑的仿生神經(jīng)肌電假手。假手與測(cè)試電路的實(shí)樣如圖2所示。
本發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)是假手觸覺(jué)的設(shè)計(jì)制作，如圖3所示，電動(dòng)假手的觸覺(jué)由仿人手指型觸滑覺(jué)一體化傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、以及具有數(shù)據(jù)采集、信息處理和輸出等功能的單片機(jī)系統(tǒng)組成，并將感覺(jué)信息輸入信息處理控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)(控制器)，以控制觸覺(jué)假手。
仿人手指型觸滑覺(jué)一體化傳感器1如圖4所示，傳感器1采用高分子壓電材料PVDF做敏感材料，PVDF的厚度約50μm，其機(jī)械特性類(lèi)似塑料薄膜。為了制作觸覺(jué)傳感器，先將敏感材料裁成矩形，用薄銅皮做的電極與PVDF粘合在一起，包裹在圖4所示手指2的柱面上，用機(jī)械方式通過(guò)手指固定孔3加以固定并引出信號(hào)線(xiàn)。
當(dāng)傳感器(手指)接觸物體，或物體在其表面滑動(dòng)時(shí)，傳感器輸出壓電信號(hào)，由信號(hào)調(diào)理電路對(duì)壓電信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，并由電荷放大器進(jìn)行放大。由于接觸覺(jué)、滑動(dòng)覺(jué)是一體化的傳感器，它們來(lái)自同一個(gè)敏感信號(hào)源。究竟在手指上的感覺(jué)信號(hào)是“接觸”還是“滑動(dòng)”，主要取決于兩者間有不同的特征，圖5是典型的接觸和滑動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，顯然，它們之間是有明顯的區(qū)別的，我們可以通過(guò)構(gòu)筑不同的特征函數(shù)并利用合適的判據(jù)對(duì)它們進(jìn)行分離。最簡(jiǎn)單的方法是，用實(shí)時(shí)采集到的信號(hào)的離散數(shù)據(jù)(一般用隊(duì)列表示，隊(duì)列的長(zhǎng)度可以是128、256個(gè)，當(dāng)新數(shù)據(jù)進(jìn)入隊(duì)尾時(shí)，舊數(shù)據(jù)從隊(duì)首剔除)，計(jì)算其均值和方差，分別作為接觸和滑動(dòng)的特征值。以隊(duì)列長(zhǎng)度256為例，計(jì)算均值和方差如下設(shè)，觸覺(jué)信號(hào)的采樣值為V1、V2、…，則，均值(接觸覺(jué)的特征值)表示為T(mén)x=1256(Σi=kk+255|Vi|+|Vk+256|-|Vk|)--k=1,2,3···---(1)]]>方差(滑動(dòng)覺(jué)的特征值)表示為Sx=Σi=kk+255Vi2-256·[Tx]2--k=1,2,3···---(2)]]>為了輸出相應(yīng)的感覺(jué)信息，可以在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)定接觸閾值TT和滑動(dòng)閾值ST，則接觸邏輯標(biāo)志PT具有 滑動(dòng)邏輯標(biāo)志PS具有 將上述感覺(jué)信息輸入計(jì)算機(jī)，協(xié)同肌電信息以控制電動(dòng)假手，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電脈沖發(fā)生器(接觸與滑動(dòng)對(duì)應(yīng)不同的頻率)，對(duì)人手臂形成觸覺(jué)的電刺激反饋。
表面EMG模型選取的合理與否對(duì)信號(hào)處理的最終效果有重大影響，并可指導(dǎo)EMG檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，良好的模型首先應(yīng)能適當(dāng)反映該信號(hào)產(chǎn)生的機(jī)理。
肌電信號(hào)發(fā)源于作為中樞神經(jīng)一部分的脊髓中的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元，通過(guò)神經(jīng)纖維經(jīng)軸突伸展到肌纖維處，由終板區(qū)與肌纖維耦合，在中樞神經(jīng)的控制下，運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元發(fā)放電脈沖，沿軸突傳導(dǎo)到肌纖維，引起肌纖維收縮而產(chǎn)生肌張力。電脈沖傳播的同時(shí)，在人體的軟組織中生成電流場(chǎng)，并在檢測(cè)電極間表現(xiàn)出電位差。圖6是一個(gè)簡(jiǎn)化的模型。信號(hào)源是中樞神經(jīng)沿突軸釋放的電脈沖uk(t)=Σi=1∞δ(t-ti),]]>突軸的傳播等效為延遲環(huán)節(jié)δ(t-τi)，肌纖維表面動(dòng)作電位相當(dāng)于一個(gè)沖擊響應(yīng)hk(t)＝pk(t)，纖維深度的影響可用另一個(gè)沖擊相應(yīng)gk(t)來(lái)描述，則，動(dòng)作電位序列(MUAPT)mk(t)是這些環(huán)節(jié)共同作用的結(jié)果mk(t)=Σi=1Nuk(t)·δ(t-τi)·pk(t)·gk(t)---(5)]]>最后的生理肌電是M個(gè)MUAPT的總和x(t)=Σk=1Mmk(t)---(6)]]>表面EMG通過(guò)貼附在體表的表面電極來(lái)拾取，表面電極本身的設(shè)計(jì)和所貼的位置都將對(duì)獲取的表面EMG信號(hào)產(chǎn)生重大的影響。我們所制作的表面電極組(兩個(gè)表面電極構(gòu)成一組)，采用Ag-Agcl材料，形狀為Φ5mm的扁平圓盤(pán)(電極)，兩個(gè)圓盤(pán)電極間相隔5cm。整個(gè)表面肌電信號(hào)的采集系統(tǒng)共使用兩組電極，分別貼在尺側(cè)腕伸肌和尺側(cè)腕屈肌外側(cè)表面，每組電極的中心線(xiàn)方向與肌纖維的伸展方向一致，具體位置和方向可通過(guò)實(shí)驗(yàn)做適當(dāng)調(diào)整，確保所采集的信號(hào)有較大的信噪比。
表面EMG是運(yùn)動(dòng)肌肉在皮膚表面產(chǎn)生的綜合生理電現(xiàn)象，它與多股肌肉的電活動(dòng)有關(guān)，并夾雜著許多其它的噪聲與干擾，又由于表面EMG是一種間接的肌電信號(hào)測(cè)量方法，拾取電極與皮膚表面之間的接觸是否良好、汗液的排放、當(dāng)事者個(gè)體的心情情緒等因素都有可能對(duì)肌電信號(hào)的檢測(cè)產(chǎn)生影響，所以為了提高信噪比，一般要布置一個(gè)零位參考電極，它對(duì)消除共模信號(hào)及其相關(guān)干擾非常有用。這個(gè)電極可以粘貼在肌肉不活動(dòng)的皮膚表面，如，肘部。
對(duì)獲取的肌電信號(hào)進(jìn)行有效的處理，可得到電動(dòng)假手的控制信號(hào)，這種控制信號(hào)可以是開(kāi)關(guān)信號(hào)，也可以是比例信號(hào)。本發(fā)明的假手控制完成以下三種動(dòng)作模式，即，①?gòu)堥_(kāi)、合攏；②腕上翻、下翻；③腕左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)；④停止，共七個(gè)假手動(dòng)作狀態(tài)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后輸出的控制信號(hào)為開(kāi)關(guān)量y1Λy6，各開(kāi)關(guān)量中只能一個(gè)是“1”，當(dāng)各開(kāi)關(guān)量均為零時(shí)，對(duì)應(yīng)“停止”狀態(tài)。
肌電信號(hào)通常采用的分析方法有統(tǒng)計(jì)方法、參數(shù)模型方法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、以小波變換為基礎(chǔ)的時(shí)頻分析方法等。以肌電信號(hào)的短時(shí)平穩(wěn)(實(shí)際情況也是如此)為基礎(chǔ)的參數(shù)模型與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的分析方法，是一種比較適合肌電信號(hào)特點(diǎn)的分析處理方法。
從肌電信號(hào)到肢體運(yùn)動(dòng)模式識(shí)別，分成兩步。第一，由采集到的肌電信號(hào)時(shí)間序列用參數(shù)模型法提取特征；第二，將特征值輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類(lèi)器得到肢體運(yùn)動(dòng)模式。圖7是工作原理示意圖，它是一個(gè)通用的處理模型。
對(duì)應(yīng)圖中信號(hào)處理模型xi(t)—采樣得到的第i塊肌肉的表面EMG的時(shí)間序列，i＝1，2，...，N，N為采樣通道數(shù)，t＝1，2，...，L，L為采樣長(zhǎng)度；yj—神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出，它對(duì)應(yīng)于所識(shí)別肢體運(yùn)動(dòng)模式的各個(gè)狀態(tài)，j＝1，2，...，M，M為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出單元數(shù)，它對(duì)應(yīng)于所需識(shí)別的動(dòng)作個(gè)數(shù)。N個(gè)通道的表面EMG經(jīng)過(guò)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式分類(lèi)器之后可以得到M個(gè)肢體運(yùn)動(dòng)模式狀態(tài)，通道數(shù)N即拾取電極的組數(shù)。對(duì)于簡(jiǎn)單的動(dòng)作識(shí)別，為方便使用者，一般控制在2組內(nèi)較合適；肢體運(yùn)動(dòng)模式M越多，識(shí)別的困難就越大，對(duì)應(yīng)上述三種動(dòng)作模式、六種動(dòng)作狀態(tài)，M＝6，具體狀態(tài)為y1對(duì)應(yīng)手的張開(kāi)、y2對(duì)應(yīng)手的合攏、y3對(duì)應(yīng)手腕上翻、y4對(duì)應(yīng)手腕下翻、y5對(duì)應(yīng)手腕左轉(zhuǎn)、y6對(duì)應(yīng)手腕右轉(zhuǎn)。
盡管表面EMG總體上具有非平穩(wěn)和非線(xiàn)性特征，但完全按非平穩(wěn)和非線(xiàn)性的分析方法，其計(jì)算量大，實(shí)時(shí)性差。實(shí)踐證明，在短時(shí)間間隔中，肌電信號(hào)二階矩的平穩(wěn)性很好，因此可以將EMG當(dāng)作分段線(xiàn)性平穩(wěn)的準(zhǔn)平穩(wěn)信號(hào)來(lái)處理。
AR模型是一個(gè)線(xiàn)性、二階矩平穩(wěn)模型，很適合短數(shù)據(jù)段的分析，計(jì)算量小。其方法可表述為xi(t)=-Σk=1qaikxi(t-k)+Wi(t)---(7)]]>其中，Wi-NID(0，σa2)為系統(tǒng)白噪聲；q-模型的階次。
AR模型參數(shù)估計(jì)方法有直接估計(jì)法和遞推估計(jì)法。由于遞推估計(jì)法具有計(jì)算速度快、精度高的優(yōu)點(diǎn)，能夠保證濾波誤差總能量最小。研究工作表明，k取3或4較合適，既能保證有足夠的特征信息，又使計(jì)算量不致太大。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有分布式、并行性、非線(xiàn)性等特點(diǎn)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以分布式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(即連接權(quán)值)存貯信息，因而網(wǎng)絡(luò)的信息能夠相互支持、相互補(bǔ)充，具有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力和聯(lián)想能力，不會(huì)由于輸入信號(hào)受到噪聲污染而嚴(yán)重扭曲其輸出，即，對(duì)于EMG這樣易受多種因素干擾的信號(hào)，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理，結(jié)果的魯棒性容易保證；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的并行性提高了處理的速度，還可利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型單元實(shí)現(xiàn)多變量之間的各種非線(xiàn)性映射。
以三層結(jié)構(gòu)的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作網(wǎng)絡(luò)分類(lèi)器，網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練方法采用梯度下降的BP算法，并按廣義δ規(guī)則調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重。如圖8所示，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)器由輸入層、隱層和輸出層組成，同一層單元之間相互不連接，層與層單元之間全互連。網(wǎng)絡(luò)分類(lèi)器輸入A為所有通道表面EMG時(shí)間序列信號(hào)xi(t)所對(duì)應(yīng)的AR模型的系數(shù)aik構(gòu)成的向量，當(dāng)k＝3時(shí)，A為3N維。輸出Y是由所識(shí)別的肢體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)yi構(gòu)成的向量。節(jié)點(diǎn)的作用函數(shù)選用S型，即f(x)＝1/(1+e-x)。
圖8中的虛線(xiàn)表示網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過(guò)程，當(dāng)給定一個(gè)網(wǎng)絡(luò)輸入模式時(shí)，首先將信號(hào)傳給隱層單元，再把經(jīng)作用函數(shù)f(x)處理后的結(jié)果傳播到輸出層單元，如果輸出結(jié)果Y與訓(xùn)練信號(hào)的差值E比要求的大，則將輸出信號(hào)的誤差沿原來(lái)的通路返回，修改各層單元的權(quán)值。網(wǎng)絡(luò)就是這樣如此反復(fù)地利用訓(xùn)練樣本進(jìn)行“學(xué)習(xí)”，直到輸出誤差滿(mǎn)足要求為止，訓(xùn)練完成的網(wǎng)絡(luò)可用于運(yùn)動(dòng)模式的識(shí)別。
本發(fā)明將觸覺(jué)引入肌電控制的目的是進(jìn)一步提高假手的仿生及控制性能，觸覺(jué)主要被用于假手對(duì)被抓物體的自適應(yīng)抓取，為此，我們嘗試基于觸覺(jué)的肌電假手控制策略如下當(dāng)基于肌電信號(hào)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別結(jié)果y2為“1”時(shí)(對(duì)應(yīng)假手合攏)，假手電機(jī)正轉(zhuǎn)，控制假手“合”動(dòng)作。當(dāng)假手手指接觸物體時(shí)，拇指上的傳感器發(fā)出接觸信號(hào)，該信號(hào)同時(shí)控制一個(gè)脈沖發(fā)生器和電子開(kāi)關(guān)，脈沖發(fā)生器發(fā)出一串脈沖刺激人體皮表，使之感知手已經(jīng)接觸到物體，電子開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)，控制手爪張開(kāi)、合攏的電機(jī)由初始的開(kāi)關(guān)控制(完成張開(kāi)、合攏)轉(zhuǎn)為電流控制(可實(shí)現(xiàn)握力的改變)，與此同時(shí)，屏蔽肌電控制系統(tǒng)中的y2信號(hào)，電動(dòng)手爪是否再需合攏完全改由觸覺(jué)控制。如果受試者在抓握物體、實(shí)施操作的過(guò)程中，物體發(fā)生滑動(dòng)，則由觸覺(jué)傳感器確認(rèn)的滑動(dòng)信號(hào)來(lái)控制張開(kāi)、合攏電機(jī)電流的增加(即握力)，直到不再發(fā)生滑動(dòng)為止，在檢出滑動(dòng)發(fā)生的同時(shí)，控制脈沖發(fā)生器刺激皮表(脈沖頻率與接觸有區(qū)別)，使之感知物體有滑動(dòng)。當(dāng)肌電信號(hào)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別結(jié)果y1為“1”時(shí)，屏蔽滑動(dòng)信號(hào)對(duì)該電機(jī)的控制，電子開(kāi)關(guān)切換到該電機(jī)的開(kāi)關(guān)控制狀態(tài)，釋放y2信號(hào)對(duì)電機(jī)的控制，控制電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，電動(dòng)手爪張開(kāi)。當(dāng)假手松握使之不再與物體接觸時(shí)，觸覺(jué)信號(hào)由1變?yōu)?，同時(shí)控制脈沖發(fā)生器刺激皮表，予以提示。
基于肌電信號(hào)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別結(jié)果分別是y3～y6有效時(shí)，控制假手的另外兩個(gè)電機(jī)，完成手腕的上下翻轉(zhuǎn)和手腕的左右旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，如此時(shí)也有物體被抓握，并發(fā)生滑動(dòng)時(shí)的控制方法與前述方法類(lèi)似。
發(fā)明的要點(diǎn)是，該仿生肌電電動(dòng)假手具有人工觸覺(jué)和肌電控制雙重功能，其仿生能力和控制效果均優(yōu)于單一的肌電電動(dòng)假手。
整個(gè)系統(tǒng)由帶觸覺(jué)的電動(dòng)假手和肌電信號(hào)測(cè)試控制系統(tǒng)兩部分組成，觸覺(jué)傳感器被裝在電動(dòng)手的大拇指上，肌電信號(hào)測(cè)試控制系統(tǒng)又分為拾電電極及其測(cè)試電路、信號(hào)處理算法及其控制輸出兩部分，如圖2所示。兩對(duì)拾電電極分別粘貼在受試者小臂的腕伸肌和腕屈肌上，黑色的公共電極粘貼在無(wú)肌肉活動(dòng)的受試者皮膚表面肘關(guān)節(jié)處，肌電信號(hào)經(jīng)A/D卡送入計(jì)算機(jī)，觸覺(jué)信息由RS232傳遞，控制信號(hào)則由計(jì)算機(jī)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。
兩對(duì)電極采集到的表面EMG，用(7)式表達(dá)的模型計(jì)算其對(duì)應(yīng)每組信號(hào)的三階AR參數(shù)(特征)值，構(gòu)成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類(lèi)器的輸入向量A，即A＝[a11，a12，a13，a21，a22，a23]T神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層共有6個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)AR模型A矢量的各個(gè)分量，輸出層六個(gè)節(jié)點(diǎn)Y1、…Y6，分別對(duì)應(yīng)張開(kāi)、合攏、腕上翻、腕下翻、腕左轉(zhuǎn)、腕右轉(zhuǎn)等動(dòng)作。為避免信號(hào)強(qiáng)弱和處理過(guò)程中增益對(duì)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別的影響，輸入層采用的是歸一化后的AR模型特征數(shù)據(jù)，輸出層的決策為①Y1∈
電動(dòng)手爪張開(kāi) ②Y2∈
電動(dòng)手爪合攏③Y3∈
電動(dòng)手爪腕上翻④Y4∈
電動(dòng)手爪腕下翻⑤Y5∈
電動(dòng)手爪腕左轉(zhuǎn)⑥Y6∈
電動(dòng)手爪腕右轉(zhuǎn)⑦其它 電動(dòng)手爪不動(dòng)作如網(wǎng)絡(luò)輸出端同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)動(dòng)作有效時(shí)，拒絕給出識(shí)別結(jié)果(可能是干擾)，同時(shí)出現(xiàn)所有動(dòng)作無(wú)效時(shí)，選擇狀態(tài)7，即，電動(dòng)手爪不動(dòng)作。
我們對(duì)塑料和金屬制品(被加工成柱狀工件)、玻璃杯、雞蛋等多種物體進(jìn)行肌電電動(dòng)假手握物試驗(yàn)，接觸覺(jué)、滑動(dòng)覺(jué)的正確檢出率為100％，肌電控制的正確率達(dá)86％。
權(quán)利要求
1.一種帶觸覺(jué)的肌電仿生電動(dòng)假手，包括裝在殘臂上的拾電電極及其對(duì)應(yīng)的肌電信號(hào)處理電路、A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集、由計(jì)算機(jī)完成肌電信號(hào)運(yùn)動(dòng)模式識(shí)別輸出控制信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路帶動(dòng)電動(dòng)假手，其特征是有仿人手指型觸滑覺(jué)一體化傳感器，其信號(hào)引出線(xiàn)連接信號(hào)調(diào)理電路和單片機(jī)輸出接觸覺(jué)或滑動(dòng)覺(jué)信息的系統(tǒng)，單片機(jī)感覺(jué)信息輸出口連接肌電信息測(cè)試處理控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，另一路接觸覺(jué)或滑動(dòng)覺(jué)的輸出信息與殘臂上可施加刺激脈沖的電極連接。
2.按權(quán)利要求1所述的帶觸覺(jué)的肌電仿生電動(dòng)假手，其特征是所述觸滑覺(jué)一體化傳感器，采用高分子壓電材料PVDF做敏感材料，其厚度為50μm，用薄銅皮做電極與PVDF粘合在一起，包裹在仿人型手指的柱面上，加以機(jī)械固定并引出信號(hào)線(xiàn)。
3.一種帶觸覺(jué)的肌電仿生電動(dòng)假手的控制方法，其特征是由觸滑覺(jué)一體化傳感器傳出壓電信號(hào)，由信號(hào)調(diào)理電路對(duì)壓電信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，并由電荷放大器進(jìn)行放大；調(diào)理后的輸出信號(hào)，由單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集和信息處理，獲取有無(wú)接觸或有無(wú)滑動(dòng)的信息并輸出至肌電信息處理控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，協(xié)同肌電信息控制假手驅(qū)動(dòng)電機(jī)的開(kāi)關(guān)、方向及電流，操動(dòng)帶觸覺(jué)的肌電仿生電動(dòng)假手。
4.按權(quán)利要求3所述帶觸覺(jué)的肌電仿生電動(dòng)假手的控制方法，其特征是由單片機(jī)對(duì)接觸信號(hào)與滑動(dòng)信號(hào)進(jìn)行信息處理并輸出感覺(jué)信息，先將典型的接觸和滑動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，分別構(gòu)筑不同的特征函數(shù)并對(duì)二者進(jìn)行分離，用實(shí)時(shí)采集到的信號(hào)的離散數(shù)據(jù)，用隊(duì)列表示，隊(duì)列長(zhǎng)度是128個(gè)或256個(gè)，當(dāng)新數(shù)據(jù)進(jìn)入隊(duì)尾時(shí)，舊數(shù)據(jù)從隊(duì)首剔除，計(jì)算得到均值和方差分別作為接觸和滑動(dòng)的特征值；取隊(duì)列長(zhǎng)度為256時(shí)，其均值為接觸覺(jué)的特征值以下式表示Tx=1256(Σi=kk+255|Vi|+|Vk+256|-|Vk|)k=1,2,3···---(1)]]>式中，V1、V2、…，是一體化傳感器調(diào)理后輸出的信號(hào)；方差為滑動(dòng)覺(jué)的特征值以下式表示Sx=Σi=kk+255Vi2-256·[Tx]2---k=1,2,3···---(2)]]>為獲取相應(yīng)感覺(jué)信息，設(shè)定接觸閾值TT和滑動(dòng)閾值ST，則接觸信息邏輯標(biāo)志為 滑動(dòng)信息邏輯標(biāo)志為 將上述感覺(jué)信息輸入計(jì)算機(jī)，協(xié)同肌電信息以控制電動(dòng)假手，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電脈沖發(fā)生器，對(duì)人手臂形成觸覺(jué)的電刺激反饋。
全文摘要
帶觸覺(jué)的肌電仿生電動(dòng)假手及其控制方法，該假手包括拾電電極、肌電信號(hào)處理電路、帶肌電信號(hào)模式處理的計(jì)算機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路，其特征是有仿人手指型觸滑覺(jué)一體化傳感器，其信號(hào)引出線(xiàn)連接信號(hào)調(diào)理電路、帶接觸滑動(dòng)特征識(shí)別的單片機(jī)系統(tǒng)；接觸覺(jué)或滑動(dòng)覺(jué)輸出信息與殘臂上可施加刺激脈沖的電極連接。觸滑覺(jué)傳感器采用高分子壓電材料，與薄銅皮電極粘合在一起，包裹在仿人假手手指的柱面上。這種假手控制方法是由傳感器傳出壓電信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路成包含接觸、滑動(dòng)特征的電壓信號(hào)，由單片機(jī)系統(tǒng)獲取有無(wú)接觸或有無(wú)滑覺(jué)的感覺(jué)信息，輸入計(jì)算機(jī)，協(xié)同肌電信息控制假手完成相應(yīng)工作。本發(fā)明能使假手受到肌電信號(hào)和感覺(jué)信號(hào)雙重制約，達(dá)到比較理想的仿生控制。
文檔編號(hào)A61F2/50GK1582866SQ20041002494
公開(kāi)日2005年2月23日 申請(qǐng)日期2004年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月2日
發(fā)明者羅志增, 席旭剛 申請(qǐng)人:杭州電子科技大學(xué)