自适应穿戴式柔顺外骨骼康复机械手的控制系统的制作方法

本发明涉及一种机械手控制系统，特别涉及一种自适应穿戴式柔顺外骨骼康复机械手的控制系统，属于机械手控制技术领域。

背景技术：

手是人类能够具有高度智慧的三大重要器官之一，手部功能、结构的复杂性使手功能康复具有效果差、周期长、任务重等问题。随着外骨骼机器人技术不断发展，外骨骼康复机械手以其可穿戴、高精度动作控制、便携等特点逐渐成为手功能康复的重要手段。目前，现有的外骨骼机械手多是针对手功能障碍的患者进行手部功能恢复训练而设计的，虽然在一定程度上减轻了医护人员的压力，但由于训练模式单一，患者参与意识低，训练效果并不显著。同时，针对无法将手部功能彻底恢复如初的患者，一味地进行训练并不是帮助患者回归生活的有效途径。

康复医学的临床研究表明，有患者运动意图主动参与的康复训练对于患者神经系统重建和运动功能恢复更加有效，这就需要精确识别患者的运动意图，以便有效地驱动机器人按照患者意愿运动，同时需要根据患者病情进行力量辅助。而基于表面肌电信号的信息来识别患者运动意图的系统已获得广泛研究，目前常见的由肌电信号来控制的机械手多为代偿性的假肢，对于肢体完整但功能受损的患者并不适用。

功能性电刺激（functionalelectricalstimulation，fes）是利用微小的电脉冲序列诱发肌肉收缩，重建肢体运动功能的神经康复技术之一，主要用于因中风和脊髓损伤等神经损伤性疾病导致肢体运动功能丧失的患者的运动功能重建。相比其他康复技术，fes还有助于促进血液循环，防止肌肉废用性萎缩，促进肌肉再学习，具有不可估量的研究价值。

技术实现要素：

本发明提出了一种自适应穿戴式柔顺外骨骼康复机械手的控制系统，通过采集控制手部运动肌肉的表面肌电信号作为输入反馈，实现对患者手功能性电刺激驱动方式和柔顺外骨骼康复机械手直线推杆电机驱动方式的协同控制，肌力较为健全的患者可以通过功能性电刺激的方式进行自主的康复训练，肌力较差的患者也可以借助直线推杆电机的助力完成康复训练；同时在机械手上安置了柔性角度传感器和压力传感器，分别用于对手指屈曲角度和指尖压力的实时反馈，实现对机械手的自适应控制，从而为患者提供日常的生活辅助。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种自适应穿戴式柔顺外骨骼康复机械手的控制系统，包含穿戴式柔顺外骨骼康复机械手、肌电采集/刺激导联模块和控制器；所述控制器包含表面肌电信号采集模块、直线推杆电机驱动模块、功能性电刺激模块，所述采集/刺激导联模块连接表面肌电信号采集模块和功能性电刺激模块，由表面肌电信号采集模块采集患者患侧手臂控制手部运动的肌肉的表面肌电信号并将所述表面肌电信号由模拟量转为数字量，并通过功能性电刺激模块对患者手臂的肌肉进行功能性功能性电刺激，所述直线推杆电机驱动模块通过鲍登线缆与穿戴式柔顺外骨骼康复机械手端的柔性驱动推杆相连；穿戴式柔顺外骨骼康复机械手端的柔性驱动推杆处放置拉力传感器，由直线推杆电机驱动模块驱动柔性驱动推杆来带动患者手指运动；用于补偿功能性电刺激不足的力矩，实现对患者手功能性电刺激驱动方式和柔顺外骨骼康复机械手直线推杆电机驱动方式的协同控制。

所述的肌电采集/刺激导联模块包括两个通道和干电极，其中，一个通道用于采集手臂上控制手部伸展运动肌肉的肌电信号或刺激手臂上控制手部伸展运动肌肉，另一个通道用于采集手臂上控制手部屈曲运动肌肉的肌电信号或刺激手臂上控制手部屈曲运动肌肉，且两通道通过分时复用方式实现肌电采集和功能性电刺激。

所述控制器还包括模式识别模块，疲劳检测模块，传感器反馈模块，所述模式识别模块用于将采集到的表面肌电信号进行处理，识别当前的手势动作；所述疲劳检测模块用于通过表面肌电信号频谱的中位频率向低频段偏移量来进行肌肉疲劳的判断检测；所述传感器反馈模块包括柔性角度传感器和压力传感器，柔性角度传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，当屈曲角度达到最小限位时，停止直线推杆电机驱动模块驱动柔性驱动推杆，防止二次伤害，所述压力传感器放置于患者手指的指尖部位，用于感知患者抓取物品时的压力大小，实现患者抓握力的自适应调节控制反馈。

所述拉力传感器连接控制器，所述拉力传感器感知手指的拉力变化，由控制器对正常牵动穿戴式柔顺外骨骼康复机械手的力与拉力传感器感知到的力进行比较，当拉力传感器感知到的力小于正常牵动穿戴式柔顺外骨骼康复机械手的力的时，驱动柔性驱动推杆补偿手部不足的力矩。

所述控制器采用两个单片机，一个单片机连接表面肌电信号采集模块、模式识别模块、疲劳检测模块，用于控制与肌电信号相关的处理，另一个单片机连接直线推杆电机驱动模块、传感器反馈模块、功能性电刺激模块，用于控制与直线推杆电机驱动和功能性电刺激相关的功能；两块单片机之间使用can协议进行数据通信。

本发明的有益效果在于：本发明提供了一种以功能性电刺激为主，电机驱动为辅的自适应穿戴式柔顺外骨骼康复机械手的控制系统，功能性电刺激方式中短小的肌电刺激有助于神经的重塑和肌力的提高，而直线推杆电机驱动方式可以为患者提供手部不足的力矩补偿。同时，功能性电刺激可以对患侧手部进行反向的肌电刺激，达到缓解患侧的手部痉挛的效果。本发明不仅可以帮助患者进行手部康复和训练，还可为患者提供日常的生活辅助，更有助于患者回归家庭、回归社会。

附图说明

图1是本发明的自适应穿戴式柔顺外骨骼康复机械手的控制系统的功能原理示意图；

图2是本发明的自适应穿戴式柔顺外骨骼康复机械手的控制系统结构框图；

图3是本发明的自适应穿戴式柔顺外骨骼康复机械手的控制系统流程图；

图4是本发明的自适应穿戴式柔顺外骨骼康复机械手的控制系统中肌电采集及电刺激示意图；

图5为穿戴式柔顺外骨骼康复机械手结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1至图5所示，一种自适应穿戴式柔顺外骨骼康复机械手的控制系统，包含穿戴式柔顺外骨骼康复机械手、肌电采集/刺激导联模块和控制器；控制器包含表面肌电信号采集模块、直线推杆电机驱动模块、模式识别模块，疲劳检测模块，传感器反馈模块，功能性电刺激模块。采集/刺激导联模块连接表面肌电信号采集模块和功能性电刺激模块，由表面肌电信号采集模块采集患者患侧手臂控制手部运动的肌肉的表面肌电信号并将所述表面肌电信号由模拟量转为数字量，并通过功能性电刺激模块对患者手臂的肌肉进行功能性功能性电刺激，直线推杆电机驱动模块通过鲍登线缆与穿戴式柔顺外骨骼康复机械手端的柔性驱动推杆相连；由直线推杆电机驱动模块驱动柔性驱动推杆来带动患者手指运动；用于补偿功能性电刺激不足的力矩，实现对患者手功能性电刺激驱动方式和柔顺外骨骼康复机械手直线推杆电机驱动方式的协同控制。

如图5所示，穿戴式柔顺外骨骼康复机械手，包括大拇指1、食指2、中指3、无名指4、小拇指5、固定绑带6、柔性驱动推杆7、手背支撑板8、手指固定架9、鲍登线缆11、大拇指固定架12、大拇指端支撑板13、电机箱盖15、电机箱16。由于柔顺外骨骼康复机械手采用柔顺机构设计，使得该机械手既具有柔性手可调整性强的特点，又具有刚性手补偿大的特点。

肌电采集/刺激导联模块包括两个通道和干电极，两个通道分别为通道i和通道ii，其中，每个通道均包含两个干电极，通道i用于采集手臂上控制手部伸展运动肌肉的肌电信号或刺激手臂上控制手部伸展运动肌肉（桡侧腕长伸肌），通道ii采集手臂上控制手部屈曲运动肌肉的肌电信号或刺激手臂上控制手部屈曲运动肌肉（尺侧腕伸肌）。两通道通过分时复用方式实现肌电采集和功能性电刺激。

为了满足控制系统实时性强、数据处理量大的要求，使用单块单片机系统在某些性能上不能达到要求，主要表现在单片机运算速度低和系统存储空间有限，因此，采用多单片机系统，使用一片单片机控制与肌电信号相关的处理，包括表面肌电信号采集模块、模式识别模块、疲劳检测模块，使用另外一片单片机来控制与直线推杆电机驱动和功能性电刺激相关的功能，包括直线推杆电机驱动模块、传感器反馈模块、功能性电刺激模块。两块单片机之间使用can协议进行数据通信。

表面肌电信号采集模块，用于采集患者患侧手臂控制手部运动的肌肉的表面肌电信号并将所述表面肌电信号由模拟量转为数字量。

模式识别模块，用于将采集到的表面肌电信号进行处理，识别当前的手势动作。

疲劳检测模块，通过表面肌电信号频谱的中位频率向低频段偏移量来进行肌肉疲劳的判断检测。

直线推杆电机驱动模块，通过驱动直线推杆电机来带动绳索进而带动滑竿，从而实现带动患者手指运动的目的。

传感器反馈模块，使用的传感器包括柔性角度传感器和压力传感器，柔性角度传感器放置于患者手指背部，用于感知患者手指的屈曲角度，当屈曲角度达到最小限位时，停止直线推杆电机驱动模块驱动柔性驱动推杆，防止二次伤害。压力传感器放置于患者手指的指尖部位，用于感知患者抓取物品时的压力大小，实现患者抓握力的自适应调节控制反馈。

功能性电刺激模块，通过对患者手臂的肌肉进行功能性功能性电刺激，实现患者神经的重塑，也可在患者手部痉挛时，通过反向刺激患者强直收缩的肌肉来缓解痉挛症状。与采集表面肌电信号模块交替工作，延缓患者因长时间进行功能性电刺激产生的肌肉疲劳。

首先，需要患者提供对手部的主动控制意识，通过手臂上的干电极拾取表面肌电信号，然后经过导联传到控制器，由控制器中的肌电处理单片机进行相应的处理。同时，拉力传感器感知到手指的拉力变化。

然后肌电处理的单片机对采集到肌电信号，经过仪表放大电路进行阻抗匹配和差分放大，再经过巴特沃斯型的低通滤波器和二阶高通滤波器完成滤波，再由50hz陷波器滤除工频信号的干扰，最后经过增益放大调节器，将表面肌电信号放大到一个合适的范围内，完成滤波后将信号输送模式识别模块，模式识别模块进行手部动作的识别，首先判断传入的肌电信号是否正常，若不正常，通过对异常值的比较，确定导联是否连接正常，若正常，则开始正常的采样分析：通过fft变换将信号由时域变换到频域，继而获得积分值、峰峰值、中位频率等信息，将获取到的相应动作的特征值与给出的标准手部运动动作的肌电信号的特征量进行比对，识别出当前的动作，确定患者的意图，将识别出的动作指令和动作的特征值传给功能性电刺激模块，功能性电刺激模块根据接收到的动作指令开启相应通道的电刺激，根据接收到的动作特征值设置相应的电刺激强度和频率；同时疲劳检测模块，通过表面肌电信号频谱的中位频率向低频段偏移实现的疲劳判断，若检测到肌肉疲劳，则发送停止指令给功能性电刺激模块和直线推杆电机驱动模块，提示患者当前肌肉已进入疲劳状态。

拉力传感器感知到手指的拉力变化后，控制器对正常牵动穿戴式柔顺外骨骼康复机械手的力与拉力传感器感知到的力进行比较，当拉力传感器感知到的力大于正常牵动穿戴式柔顺外骨骼康复机械手的力的时，不对直线推杆电机进行驱动；当拉力传感器感知到的力小于正常牵动穿戴式柔顺外骨骼康复机械手的力的时，驱动直线推杆电机补偿手部不足的力矩。

在整个使用过程中，柔性角度传感器实时采集和反馈手指关节的屈曲角度，以免电机的过度牵引对患者造成二次伤害。同时，痉挛检测是根据柔性角度传感器实时采集到的手指关节的屈曲角度实现的，若检测到相同时间间隔内前后两次手指的屈曲角度差值存在异常，则停止电机的驱动牵引，同时开启功能性电刺激模块，对患侧手部进行反向的肌电刺激，达到缓解患侧的手部痉挛的效果。