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(lèi)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(zhǎng)、任務(wù)重等問(wèn)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(dòng)作控制、便攜等特點(diǎn)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(duì)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(jì)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(shí)低，訓(xùn)練效果并不顯著。同時(shí)，針對(duì)無(wú)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(yùn)動(dòng)意圖主動(dòng)參與的康復(fù)訓(xùn)練對(duì)于患者神經(jīng)系統(tǒng)重建和運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)更加有效，這就需要精確識(shí)別患者的運(yùn)動(dòng)意圖，以便有效地驅(qū)動(dòng)機(jī)器人按照患者意愿運(yùn)動(dòng)，同時(shí)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(hào)的信息來(lái)識(shí)別患者運(yùn)動(dòng)意圖的系統(tǒng)已獲得廣泛研究，目前常見(jiàn)的由肌電信號(hào)來(lái)控制的機(jī)械手多為代償性的假肢，對(duì)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)功能喪失的患者的運(yùn)動(dòng)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?jī)r(jià)值。

技術(shù)實(shí)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(guò)采集控制手部運(yùn)動(dòng)肌肉的表面肌電信號(hào)作為輸入反饋，實(shí)現(xiàn)對(duì)患者手功能性電刺激驅(qū)動(dòng)方式和柔順外骨骼康復(fù)機(jī)械手直線(xiàn)推桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的協(xié)同控制，肌力較為健全的患者可以通過(guò)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(xiàn)推桿電機(jī)的助力完成康復(fù)訓(xùn)練；同時(shí)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(duì)手指屈曲角度和指尖壓力的實(shí)時(shí)反饋，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)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(hào)采集模塊、直線(xiàn)推桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(hào)采集模塊和功能性電刺激模塊，由表面肌電信號(hào)采集模塊采集患者患側(cè)手臂控制手部運(yùn)動(dòng)的肌肉的表面肌電信號(hào)并將所述表面肌電信號(hào)由模擬量轉(zhuǎn)為數(shù)字量，并通過(guò)功能性電刺激模塊對(duì)患者手臂的肌肉進(jìn)行功能性功能性電刺激，所述直線(xiàn)推桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)鮑登線(xiàn)纜與穿戴式柔順外骨骼康復(fù)機(jī)械手端的柔性驅(qū)動(dòng)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(dòng)推桿處放置拉力傳感器，由直線(xiàn)推桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)推桿來(lái)帶動(dòng)患者手指運(yùn)動(dòng)；用于補(bǔ)償功能性電刺激不足的力矩，實(shí)現(xiàn)對(duì)患者手功能性電刺激驅(qū)動(dòng)方式和柔順外骨骼康復(fù)機(jī)械手直線(xiàn)推桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(gè)通道和干電極，其中，一個(gè)通道用于采集手臂上控制手部伸展運(yùn)動(dòng)肌肉的肌電信號(hào)或刺激手臂上控制手部伸展運(yùn)動(dòng)肌肉，另一個(gè)通道用于采集手臂上控制手部屈曲運(yùn)動(dòng)肌肉的肌電信號(hào)或刺激手臂上控制手部屈曲運(yùn)動(dòng)肌肉，且兩通道通過(guò)分時(shí)復(fù)用方式實(shí)現(xiàn)肌電采集和功能性電刺激。

所述控制器還包括模式識(shí)別模塊，疲勞檢測(cè)模塊，傳感器反饋模塊，所述模式識(shí)別模塊用于將采集到的表面肌電信號(hào)進(jìn)行處理，識(shí)別當(dāng)前的手勢(shì)動(dòng)作；所述疲勞檢測(cè)模塊用于通過(guò)表面肌電信號(hào)頻譜的中位頻率向低頻段偏移量來(lái)進(jìn)行肌肉疲勞的判斷檢測(cè)；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(shí)，停止直線(xiàn)推桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)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(shí)的壓力大小，實(shí)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(duì)正常牽動(dòng)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(dòng)穿戴式柔順外骨骼康復(fù)機(jī)械手的力的時(shí)，驅(qū)動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)推桿補(bǔ)償手部不足的力矩。

所述控制器采用兩個(gè)單片機(jī)，一個(gè)單片機(jī)連接表面肌電信號(hào)采集模塊、模式識(shí)別模塊、疲勞檢測(cè)模塊，用于控制與肌電信號(hào)相關(guān)的處理，另一個(gè)單片機(jī)連接直線(xiàn)推桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器反饋模塊、功能性電刺激模塊，用于控制與直線(xiàn)推桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(xiàn)推桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式可以為患者提供手部不足的力矩補(bǔ)償。同時(shí)，功能性電刺激可以對(duì)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(huì)。

附圖說(shuō)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(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)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(hào)采集模塊、直線(xiàn)推桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、模式識(shí)別模塊，疲勞檢測(cè)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(hào)采集模塊和功能性電刺激模塊，由表面肌電信號(hào)采集模塊采集患者患側(cè)手臂控制手部運(yùn)動(dòng)的肌肉的表面肌電信號(hào)并將所述表面肌電信號(hào)由模擬量轉(zhuǎn)為數(shù)字量，并通過(guò)功能性電刺激模塊對(duì)患者手臂的肌肉進(jìn)行功能性功能性電刺激，直線(xiàn)推桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)鮑登線(xiàn)纜與穿戴式柔順外骨骼康復(fù)機(jī)械手端的柔性驅(qū)動(dòng)推桿相連；由直線(xiàn)推桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)推桿來(lái)帶動(dòng)患者手指運(yùn)動(dòng)；用于補(bǔ)償功能性電刺激不足的力矩，實(shí)現(xiàn)對(duì)患者手功能性電刺激驅(qū)動(dòng)方式和柔順外骨骼康復(fù)機(jī)械手直線(xiàn)推桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(wú)名指4、小拇指5、固定綁帶6、柔性驅(qū)動(dòng)推桿7、手背支撐板8、手指固定架9、鮑登線(xiàn)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(jì)，使得該機(jī)械手既具有柔性手可調(diào)整性強(qiáng)的特點(diǎn)，又具有剛性手補(bǔ)償大的特點(diǎn)。

肌電采集/刺激導(dǎo)聯(lián)模塊包括兩個(gè)通道和干電極，兩個(gè)通道分別為通道i和通道ii，其中，每個(gè)通道均包含兩個(gè)干電極，通道i用于采集手臂上控制手部伸展運(yùn)動(dòng)肌肉的肌電信號(hào)或刺激手臂上控制手部伸展運(yùn)動(dòng)肌肉（橈側(cè)腕長(zhǎng)伸?。ǖ纈i采集手臂上控制手部屈曲運(yùn)動(dòng)肌肉的肌電信號(hào)或刺激手臂上控制手部屈曲運(yùn)動(dòng)肌肉（尺側(cè)腕伸?。赏ǖ劳ㄟ^(guò)分時(shí)復(fù)用方式實(shí)現(xiàn)肌電采集和功能性電刺激。

為了滿(mǎn)足控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(yùn)算速度低和系統(tǒng)存儲(chǔ)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(hào)相關(guān)的處理，包括表面肌電信號(hào)采集模塊、模式識(shí)別模塊、疲勞檢測(cè)模塊，使用另外一片單片機(jī)來(lái)控制與直線(xiàn)推桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)和功能性電刺激相關(guān)的功能，包括直線(xiàn)推桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(hào)采集模塊，用于采集患者患側(cè)手臂控制手部運(yùn)動(dòng)的肌肉的表面肌電信號(hào)并將所述表面肌電信號(hào)由模擬量轉(zhuǎn)為數(shù)字量。

模式識(shí)別模塊，用于將采集到的表面肌電信號(hào)進(jìn)行處理，識(shí)別當(dāng)前的手勢(shì)動(dòng)作。

疲勞檢測(cè)模塊，通過(guò)表面肌電信號(hào)頻譜的中位頻率向低頻段偏移量來(lái)進(jìn)行肌肉疲勞的判斷檢測(cè)。

直線(xiàn)推桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，通過(guò)驅(qū)動(dòng)直線(xiàn)推桿電機(jī)來(lái)帶動(dòng)繩索進(jìn)而帶動(dòng)滑竿，從而實(shí)現(xiàn)帶動(dòng)患者手指運(yùn)動(dòng)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(shí)，停止直線(xiàn)推桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)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(shí)的壓力大小，實(shí)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(guò)對(duì)患者手臂的肌肉進(jìn)行功能性功能性電刺激，實(shí)現(xiàn)患者神經(jīng)的重塑，也可在患者手部痙攣時(shí)，通過(guò)反向刺激患者強(qiáng)直收縮的肌肉來(lái)緩解痙攣癥狀。與采集表面肌電信號(hào)模塊交替工作，延緩患者因長(zhǎng)時(shí)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(duì)手部的主動(dòng)控制意識(shí)，通過(guò)手臂上的干電極拾取表面肌電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)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(shí)，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(duì)采集到肌電信號(hào)，經(jīng)過(guò)儀表放大電路進(jìn)行阻抗匹配和差分放大，再經(jīng)過(guò)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(hào)的干擾，最后經(jīng)過(guò)增益放大調(diào)節(jié)器，將表面肌電信號(hào)放大到一個(gè)合適的范圍內(nèi)，完成濾波后將信號(hào)輸送模式識(shí)別模塊，模式識(shí)別模塊進(jìn)行手部動(dòng)作的識(shí)別，首先判斷傳入的肌電信號(hào)是否正常，若不正常，通過(guò)對(duì)異常值的比較，確定導(dǎo)聯(lián)是否連接正常，若正常，則開(kāi)始正常的采樣分析：通過(guò)fft變換將信號(hào)由時(shí)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(dòng)作的特征值與給出的標(biāo)準(zhǔn)手部運(yùn)動(dòng)動(dòng)作的肌電信號(hào)的特征量進(jìn)行比對(duì)，識(shí)別出當(dāng)前的動(dòng)作，確定患者的意圖，將識(shí)別出的動(dòng)作指令和動(dòng)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(dòng)作指令開(kāi)啟相應(yīng)通道的電刺激，根據(jù)接收到的動(dòng)作特征值設(shè)置相應(yīng)的電刺激強(qiáng)度和頻率；同時(shí)疲勞檢測(cè)模塊，通過(guò)表面肌電信號(hào)頻譜的中位頻率向低頻段偏移實(shí)現(xiàn)的疲勞判斷，若檢測(cè)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(xiàn)推桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(duì)正常牽動(dòng)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(dòng)穿戴式柔順外骨骼康復(fù)機(jī)械手的力的時(shí)，不對(duì)直線(xiàn)推桿電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；當(dāng)拉力傳感器感知到的力小于正常牽動(dòng)穿戴式柔順外骨骼康復(fù)機(jī)械手的力的時(shí)，驅(qū)動(dòng)直線(xiàn)推桿電機(jī)補(bǔ)償手部不足的力矩。

在整個(gè)使用過(guò)程中，柔性角度傳感器實(shí)時(shí)采集和反饋手指關(guān)節(jié)的屈曲角度，以免電機(jī)的過(guò)度牽引對(duì)患者造成二次傷害。同時(shí)，痙攣檢測(cè)是根據(jù)柔性角度傳感器實(shí)時(shí)采集到的手指關(guān)節(jié)的屈曲角度實(shí)現(xiàn)的，若檢測(cè)到相同時(shí)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(dòng)牽引，同時(shí)開(kāi)啟功能性電刺激模塊，對(duì)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。