本發(fā)明涉及一種機(jī)械手控制系統(tǒng)，特別涉及一種自適應(yīng)穿戴式柔順外骨骼康復(fù)機(jī)械手的控制系統(tǒng)，屬于機(jī)械手控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

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(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使手功能康復(fù)具有效果差、周期長、任務(wù)重等問題。隨著外骨骼機(jī)器人技術(shù)不斷發(fā)展，外骨骼康復(fù)機(jī)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(fù)的重要手段。目前，現(xiàn)有的外骨骼機(jī)械手多是針對手功能障礙的患者進(jìn)行手部功能恢復(fù)訓(xùn)練而設(shè)計的，雖然在一定程度上減輕了醫(yī)護(hù)人員的壓力，但由于訓(xùn)練模式單一，患者參與意識低，訓(xùn)練效果并不顯著。同時，針對無法將手部功能徹底恢復(fù)如初的患者，一味地進(jìn)行訓(xùn)練并不是幫助患者回歸生活的有效途徑。

康復(fù)醫(yī)學(xué)的臨床研究表明，有患者運動意圖主動參與的康復(fù)訓(xùn)練對于患者神經(jīng)系統(tǒng)重建和運動功能恢復(fù)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(qū)動機(jī)器人按照患者意愿運動，同時需要根據(jù)患者病情進(jìn)行力量輔助。而基于表面肌電信號的信息來識別患者運動意圖的系統(tǒng)已獲得廣泛研究，目前常見的由肌電信號來控制的機(jī)械手多為代償性的假肢，對于肢體完整但功能受損的患者并不適用。

功能性電刺激（functionalelectricalstimulation，fes）是利用微小的電脈沖序列誘發(fā)肌肉收縮，重建肢體運動功能的神經(jīng)康復(fù)技術(shù)之一，主要用于因中風(fēng)和脊髓損傷等神經(jīng)損傷性疾病導(dǎo)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(fù)技術(shù)，fes還有助于促進(jìn)血液循環(huán)，防止肌肉廢用性萎縮，促進(jìn)肌肉再學(xué)習(xí)，具有不可估量的研究價值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種自適應(yīng)穿戴式柔順外骨骼康復(fù)機(jī)械手的控制系統(tǒng)，通過采集控制手部運動肌肉的表面肌電信號作為輸入反饋，實現(xiàn)對患者手功能性電刺激驅(qū)動方式和柔順外骨骼康復(fù)機(jī)械手直線推桿電機(jī)驅(qū)動方式的協(xié)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(jìn)行自主的康復(fù)訓(xùn)練，肌力較差的患者也可以借助直線推桿電機(jī)的助力完成康復(fù)訓(xùn)練；同時在機(jī)械手上安置了柔性角度傳感器和壓力傳感器，分別用于對手指屈曲角度和指尖壓力的實時反饋，實現(xiàn)對機(jī)械手的自適應(yīng)控制，從而為患者提供日常的生活輔助。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種自適應(yīng)穿戴式柔順外骨骼康復(fù)機(jī)械手的控制系統(tǒng)，包含穿戴式柔順外骨骼康復(fù)機(jī)械手、肌電采集/刺激導(dǎo)聯(lián)模塊和控制器；所述控制器包含表面肌電信號采集模塊、直線推桿電機(jī)驅(qū)動模塊、功能性電刺激模塊，所述采集/刺激導(dǎo)聯(lián)模塊連接表面肌電信號采集模塊和功能性電刺激模塊，由表面肌電信號采集模塊采集患者患側(cè)手臂控制手部運動的肌肉的表面肌電信號并將所述表面肌電信號由模擬量轉(zhuǎn)為數(shù)字量，并通過功能性電刺激模塊對患者手臂的肌肉進(jìn)行功能性功能性電刺激，所述直線推桿電機(jī)驅(qū)動模塊通過鮑登線纜與穿戴式柔順外骨骼康復(fù)機(jī)械手端的柔性驅(qū)動推桿相連；穿戴式柔順外骨骼康復(fù)機(jī)械手端的柔性驅(qū)動推桿處放置拉力傳感器，由直線推桿電機(jī)驅(qū)動模塊驅(qū)動柔性驅(qū)動推桿來帶動患者手指運動；用于補(bǔ)償功能性電刺激不足的力矩，實現(xiàn)對患者手功能性電刺激驅(qū)動方式和柔順外骨骼康復(fù)機(jī)械手直線推桿電機(jī)驅(qū)動方式的協(xié)同控制。

所述的肌電采集/刺激導(dǎo)聯(lián)模塊包括兩個通道和干電極，其中，一個通道用于采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，另一個通道用于采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(fù)用方式實現(xiàn)肌電采集和功能性電刺激。

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于將采集到的表面肌電信號進(jìn)行處理，識別當(dāng)前的手勢動作；所述疲勞檢測模塊用于通過表面肌電信號頻譜的中位頻率向低頻段偏移量來進(jìn)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于患者手指指背部，用于感知患者手指的屈曲角度，當(dāng)屈曲角度達(dá)到最小限位時，停止直線推桿電機(jī)驅(qū)動模塊驅(qū)動柔性驅(qū)動推桿，防止二次傷害，所述壓力傳感器放置于患者手指的指尖部位，用于感知患者抓取物品時的壓力大小，實現(xiàn)患者抓握力的自適應(yīng)調(diào)節(jié)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(fù)機(jī)械手的力與拉力傳感器感知到的力進(jìn)行比較，當(dāng)拉力傳感器感知到的力小于正常牽動穿戴式柔順外骨骼康復(fù)機(jī)械手的力的時，驅(qū)動柔性驅(qū)動推桿補(bǔ)償手部不足的力矩。

所述控制器采用兩個單片機(jī)，一個單片機(jī)連接表面肌電信號采集模塊、模式識別模塊、疲勞檢測模塊，用于控制與肌電信號相關(guān)的處理，另一個單片機(jī)連接直線推桿電機(jī)驅(qū)動模塊、傳感器反饋模塊、功能性電刺激模塊，用于控制與直線推桿電機(jī)驅(qū)動和功能性電刺激相關(guān)的功能；兩塊單片機(jī)之間使用can協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明提供了一種以功能性電刺激為主，電機(jī)驅(qū)動為輔的自適應(yīng)穿戴式柔順外骨骼康復(fù)機(jī)械手的控制系統(tǒng)，功能性電刺激方式中短小的肌電刺激有助于神經(jīng)的重塑和肌力的提高，而直線推桿電機(jī)驅(qū)動方式可以為患者提供手部不足的力矩補(bǔ)償。同時，功能性電刺激可以對患側(cè)手部進(jìn)行反向的肌電刺激，達(dá)到緩解患側(cè)的手部痙攣的效果。本發(fā)明不僅可以幫助患者進(jìn)行手部康復(fù)和訓(xùn)練，還可為患者提供日常的生活輔助，更有助于患者回歸家庭、回歸社會。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的自適應(yīng)穿戴式柔順外骨骼康復(fù)機(jī)械手的控制系統(tǒng)的功能原理示意圖；

圖2是本發(fā)明的自適應(yīng)穿戴式柔順外骨骼康復(fù)機(jī)械手的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；

圖3是本發(fā)明的自適應(yīng)穿戴式柔順外骨骼康復(fù)機(jī)械手的控制系統(tǒng)流程圖；

圖4是本發(fā)明的自適應(yīng)穿戴式柔順外骨骼康復(fù)機(jī)械手的控制系統(tǒng)中肌電采集及電刺激示意圖；

圖5為穿戴式柔順外骨骼康復(fù)機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1至圖5所示，一種自適應(yīng)穿戴式柔順外骨骼康復(fù)機(jī)械手的控制系統(tǒng)，包含穿戴式柔順外骨骼康復(fù)機(jī)械手、肌電采集/刺激導(dǎo)聯(lián)模塊和控制器；控制器包含表面肌電信號采集模塊、直線推桿電機(jī)驅(qū)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。采集/刺激導(dǎo)聯(lián)模塊連接表面肌電信號采集模塊和功能性電刺激模塊，由表面肌電信號采集模塊采集患者患側(cè)手臂控制手部運動的肌肉的表面肌電信號并將所述表面肌電信號由模擬量轉(zhuǎn)為數(shù)字量，并通過功能性電刺激模塊對患者手臂的肌肉進(jìn)行功能性功能性電刺激，直線推桿電機(jī)驅(qū)動模塊通過鮑登線纜與穿戴式柔順外骨骼康復(fù)機(jī)械手端的柔性驅(qū)動推桿相連；由直線推桿電機(jī)驅(qū)動模塊驅(qū)動柔性驅(qū)動推桿來帶動患者手指運動；用于補(bǔ)償功能性電刺激不足的力矩，實現(xiàn)對患者手功能性電刺激驅(qū)動方式和柔順外骨骼康復(fù)機(jī)械手直線推桿電機(jī)驅(qū)動方式的協(xié)同控制。

如圖5所示，穿戴式柔順外骨骼康復(fù)機(jī)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(qū)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(jī)箱蓋15、電機(jī)箱16。由于柔順外骨骼康復(fù)機(jī)械手采用柔順機(jī)構(gòu)設(shè)計，使得該機(jī)械手既具有柔性手可調(diào)整性強(qiáng)的特點，又具有剛性手補(bǔ)償大的特點。

肌電采集/刺激導(dǎo)聯(lián)模塊包括兩個通道和干電極，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干電極，通道i用于采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(cè)腕長伸肌），通道ii采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(cè)腕伸肌）。兩通道通過分時復(fù)用方式實現(xiàn)肌電采集和功能性電刺激。

為了滿足控制系統(tǒng)實時性強(qiáng)、數(shù)據(jù)處理量大的要求，使用單塊單片機(jī)系統(tǒng)在某些性能上不能達(dá)到要求，主要表現(xiàn)在單片機(jī)運算速度低和系統(tǒng)存儲空間有限，因此，采用多單片機(jī)系統(tǒng)，使用一片單片機(jī)控制與肌電信號相關(guān)的處理，包括表面肌電信號采集模塊、模式識別模塊、疲勞檢測模塊，使用另外一片單片機(jī)來控制與直線推桿電機(jī)驅(qū)動和功能性電刺激相關(guān)的功能，包括直線推桿電機(jī)驅(qū)動模塊、傳感器反饋模塊、功能性電刺激模塊。兩塊單片機(jī)之間使用can協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

表面肌電信號采集模塊，用于采集患者患側(cè)手臂控制手部運動的肌肉的表面肌電信號并將所述表面肌電信號由模擬量轉(zhuǎn)為數(shù)字量。

模式識別模塊，用于將采集到的表面肌電信號進(jìn)行處理，識別當(dāng)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(jìn)行肌肉疲勞的判斷檢測。

直線推桿電機(jī)驅(qū)動模塊，通過驅(qū)動直線推桿電機(jī)來帶動繩索進(jìn)而帶動滑竿，從而實現(xiàn)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于患者手指背部，用于感知患者手指的屈曲角度，當(dāng)屈曲角度達(dá)到最小限位時，停止直線推桿電機(jī)驅(qū)動模塊驅(qū)動柔性驅(qū)動推桿，防止二次傷害。壓力傳感器放置于患者手指的指尖部位，用于感知患者抓取物品時的壓力大小，實現(xiàn)患者抓握力的自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制反饋。

功能性電刺激模塊，通過對患者手臂的肌肉進(jìn)行功能性功能性電刺激，實現(xiàn)患者神經(jīng)的重塑，也可在患者手部痙攣時，通過反向刺激患者強(qiáng)直收縮的肌肉來緩解痙攣癥狀。與采集表面肌電信號模塊交替工作，延緩患者因長時間進(jìn)行功能性電刺激產(chǎn)生的肌肉疲勞。

首先，需要患者提供對手部的主動控制意識，通過手臂上的干電極拾取表面肌電信號，然后經(jīng)過導(dǎo)聯(lián)傳到控制器，由控制器中的肌電處理單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理。同時，拉力傳感器感知到手指的拉力變化。

然后肌電處理的單片機(jī)對采集到肌電信號，經(jīng)過儀表放大電路進(jìn)行阻抗匹配和差分放大，再經(jīng)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干擾，最后經(jīng)過增益放大調(diào)節(jié)器，將表面肌電信號放大到一個合適的范圍內(nèi)，完成濾波后將信號輸送模式識別模塊，模式識別模塊進(jìn)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(dǎo)聯(lián)是否連接正常，若正常，則開始正常的采樣分析：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(yīng)動作的特征值與給出的標(biāo)準(zhǔn)手部運動動作的肌電信號的特征量進(jìn)行比對，識別出當(dāng)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征值傳給功能性電刺激模塊，功能性電刺激模塊根據(jù)接收到的動作指令開啟相應(yīng)通道的電刺激，根據(jù)接收到的動作特征值設(shè)置相應(yīng)的電刺激強(qiáng)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(xiàn)的疲勞判斷，若檢測到肌肉疲勞，則發(fā)送停止指令給功能性電刺激模塊和直線推桿電機(jī)驅(qū)動模塊，提示患者當(dāng)前肌肉已進(jìn)入疲勞狀態(tài)。

拉力傳感器感知到手指的拉力變化后，控制器對正常牽動穿戴式柔順外骨骼康復(fù)機(jī)械手的力與拉力傳感器感知到的力進(jìn)行比較，當(dāng)拉力傳感器感知到的力大于正常牽動穿戴式柔順外骨骼康復(fù)機(jī)械手的力的時，不對直線推桿電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動；當(dāng)拉力傳感器感知到的力小于正常牽動穿戴式柔順外骨骼康復(fù)機(jī)械手的力的時，驅(qū)動直線推桿電機(jī)補(bǔ)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采集和反饋手指關(guān)節(jié)的屈曲角度，以免電機(jī)的過度牽引對患者造成二次傷害。同時，痙攣檢測是根據(jù)柔性角度傳感器實時采集到的手指關(guān)節(jié)的屈曲角度實現(xiàn)的，若檢測到相同時間間隔內(nèi)前后兩次手指的屈曲角度差值存在異常，則停止電機(jī)的驅(qū)動牽引，同時開啟功能性電刺激模塊，對患側(cè)手部進(jìn)行反向的肌電刺激，達(dá)到緩解患側(cè)的手部痙攣的效果。