一种运动意图信息生成及带触觉反馈的控制系统的制作方法

一种运动意图信息生成及带触觉反馈的控制系统
1.技术领域:本发明涉及信息生成及控制领域，具体涉及一种运动意图信息生成及带触觉反馈的控制系统。
2.

背景技术：
:申请号为2021101862316的发明专利（一种用于残肢表面的人体运动意图信号生成装置)申请了一种通过采集肌肉信号（肌电信号和肌肉形变信号）来进行人体运动意图信号生成的装置。包括：置于皮肤表面的采集表面肌肉信号的表面肌肉信号采集组件和接收所述表面肌肉信号的信号处理组件；其特征在于，所述表面肌肉信号采集组件分布于该信号处理组件四周，通过电连接传送表面肌肉信号给信号处理组件及通过导线接收电力，信号处理组件处理成反映人体运动意图的各种动作的模式代码并发送给执行机构去执行相应动作。
3.此项专利通过多种信号采集和精确放置于采集点提高了采集表面肌肉信号的准确性，进而提高了人体运动意图的识别率，使得患者可以控制假肢自然做出更多的动作，提高患者生活质量。但是，还和人体自然控制的方式有差距；众所周知，我们人体肢体动作的控制是反馈闭环控制，其中人体肢体皮肤的触觉反馈对人体肢体精确动作起到非常重要的作用；而此专利只采用了肌肉信号采集并经处理后直接驱动执行机构的开环控制方式；并没有同时利用执行机构采集触觉信号并触发肢体皮肤的触觉，进而反馈到大脑，人体根据触觉反馈调整人体运动意图，信号采集组件采集到调整后的新的人体运动意图经处理后再次驱动执行机构，完成反馈闭环的控制。
4.另外，此项专利使用定位套、固定套来定位和固定肌肉采集组件在残肢靶肌肉位置上；因为需要先戴上柔软的定位套、然后调整肌肉信号采集组件位置，再戴上固定套；针对只有单手可以操作的残肢患者而言，整个操作过程时间长、难度大。
5.要解决的技术问题:本发明要解决上述提及的发明中肌肉信号直接驱动执行机构而无触觉反馈的技术问题，并且使单手患者穿戴操作更加简单、方便。
6.发明创造内容:本发明使用肌肉信号采集组件采集残肢表面肌肉信号并在信号处理组件中处理成反映人体运动意图的动作模式代码并发送给执行机构去执行；同时执行机构上的触觉信号采集组件采集的触觉信息在信号处理组件中处理成触觉显示模式代码并驱动触觉显示器刺激皮肤，使人体感知到执行机构所接触物体的状态；当人体根据触觉反馈有新的运动意图后，在信号采集组件采集到的残肢表面肌肉信号中自然会反映出来，并在信号处理组件中处理成反映新的人体运动意图的动作模式代码并发送给执行机构去执行，随着控制-反馈-控制循环的不断进行，从而完成反馈闭环的控制。
7.为了实现上述目的，本发明提供了一种运动意图信号生成及带触觉反馈的控制系统，包括：信号处理组件电连接分布于其四周的置于皮肤表面的采集表面肌肉信号的肌肉信号采集组件；信号处理组件把表面肌肉信号处理成反映人体运动意图的各种动作的模式
代码并发送给执行机构去执行；其特征在于，所述执行机构上分布有触觉信号采集组件，通过电连接传送触觉信号给信号处理组件并被处理成触觉显示模式代码；控制系统还包括触觉显示组件，通过电连接从信号处理组件接收触觉显示模式代码后去刺激皮肤，使人体感知到执行机构所接触物体的状态，人体根据触觉反馈产生新的运动意图，信号采集组件采集并在信号处理组件中处理成反映新的人体运动意图的动作模式代码并发送给执行机构去执行，随着控制-反馈-控制循环的不断进行，从而完成反馈闭环的控制。
8.在一些实施方案中，所述触觉信号采集组件可分布于执行机构的表面亦或执行机构的内部。
9.在一些实施方案中，所述触觉信号采集组件包括传感器模块、处理模块、通讯模块。传感器模块被配置成采集触觉信号；处理模块被配置成把触觉信号处理成表征其特征的数字信号；通讯模块把此数字信号传送给信号处理组件。
10.在一些实施方案中，所述触觉信号采集组件中传感器模块可单独分布，通过电连接和处理模块和通讯模块相连；或者传感器模块、处理模块和通讯模块集成在一起。
11.在一些实施方案中，所述触觉信号采集组件的传感器模块包含温度传感器、力矩传感器、压力传感器、滑觉传感器中的一种或几种或全部。
12.在一些实施方案中，所述触觉信号采集组件的通讯模块和信息处理组件无线连接。
13.在一些实施方案中，所述触觉显示组件通过导线连接分布于信号处理组件四周。
14.在一些实施方案中，所述触觉显示组件包括通讯模块、处理模块、刺激器模块。通讯模块被配置成从信号处理组件接收触觉显示模式代码；处理模块被配置成把触觉显示模式代码解码为相应的刺激程序；刺激器模块分布于皮肤表面被配置成由刺激程序驱动来刺激皮肤。
15.在一些实施方案中，所述触觉显示组件中刺激器模块可单独分布，通过电连接和处理模块和通讯模块相连；或者刺激器模块、处理模块和通讯模块集成在一起，刺激器模块分布于皮肤表面。
16.在一些实施方案中，所述触觉显示组件的刺激器模块包括温度显示模块、压觉显示模块、滑觉显示模块中的一种或几种或全部。
17.在一些实施方案中，所述触觉显示组件刺激器中的压觉显示模块通过电刺激或机械触针或机械振动的刺激源来模拟压觉，上述刺激源无论是单点还是阵列都是同时发出刺激；可调节参数包括电刺激幅度、电刺激频率、电刺激脉冲宽度、电刺激波形、机械触针位移量、振动幅度、振动频率、振动波形。
18.在一些实施方案中，所述触觉显示组件刺激器中的滑觉显示模块通过阵列式的电刺激或机械触针或机械振动的刺激源来模拟滑觉，滑觉是阵列式中的刺激源在不同位置按照时间顺序发出刺激来模拟的；可调节参数包括电刺激幅度、电刺激频率、电刺激脉冲宽度、电刺激波形、机械触针位移量、振动幅度、振动频率、振动波形。
19.在一些实施方案中，所述触觉显示组件的通讯模块通过导线连接信息处理组件。
20.在一些实施方案中，运动意图信号生成及带触觉反馈的控制系统还包括固定套，所述固定套呈长桶状，由两层弹性材料结合而成，径向可弹性撑开；信号处理组件、肌肉信号采集组件和触觉显示组件固定于其特定位置上。
21.在一些实施方案中，信号处理组件、肌肉信号采集组件和触觉显示组件为柔性的，以粘结或缝合的方式固定在固定套上。
22.技术有益效果:本发明使人体拥有触觉，可使用最自然的方式来控制假肢，使假肢真正的和肢体融为“一”体。同时，患者使用单手穿戴固定套一次即可把相关组件精确定位在残肢上，降低了操作难度，节省了穿戴时间。
23.附图说明:图1 示例触觉信号采集组件图2 示例触觉信号采集组件功能框图图3示例触觉显示组件图4 示例触觉显示组件功能框图图5 示例含触觉显示组件、肌肉信号采集组件和信号处理组件的固定套图6 示例运动意图信号生成及带触觉反馈的控制系统图7 示例运动意图信号生成及带触觉反馈的控制系统功能框图具体实施方式:本发明提供了一种运动意图信号生成及带触觉反馈的控制系统。采集表面肌肉信号的肌肉信号采集组件置于皮肤表面靶肌肉处；触觉显示组件置于皮肤表面刺激反馈区；触觉信号采集组件置于执行机构的表面或内部；信号处理组件通过电连接和肌肉信号采集组件、触觉信号采集组件、触觉显示组件相连；信号处理组件从肌肉信号采集组件处获得表面肌肉信号后处理成反映人体运动意图的各种动作的模式代码并发送给执行机构去执行，同时从触觉信号采集组件处获得执行机构触觉信号后处理成触觉显示模式代码并发送给触觉显示组件去刺激皮肤，人体根据反馈的触觉产生新的运动意图，信号采集组件采集并在信号处理组件中处理成反映新的人体运动意图的动作模式代码并发送给执行机构去执行，随着控制-反馈-控制循环的不断进行，从而完成反馈闭环的控制。
24.触觉信号采集组件中的传感器模块包括温度传感器。温度传感器采用集成式（ic）温度传感器，集成式（ic）温度传感器采用热二极管、热晶体管(基极连接在一起可构成二极管)作为其敏感元件；其利用敏感元件通过的电压/电流和温度呈线性相关的特性来测量；分布于接触被触物体的执行机构表面（例如机械手的手背或手指指腹），通过放置在被触物体表面来测量温度。
25.触觉信号采集组件中的传感器模块包括力矩传感器。力矩传感器是对各种旋转或非旋转机械部件上扭转力矩的检测，力矩传感器可将旋转轴的应力和应变转换成精确的电信号。力矩传感器分布于执行机构内部的驱动电机上，通过测量电机扭矩，进而间接得知执行机构在接触物体的受力点（例如机械手的手指）处所受到的力或力矩。
26.触觉信号采集组件中的传感器模块包括压力传感器。压力传感器是能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号；压力传感器通常利用压阻或压电效应把压力敏感元件受力时电阻值/电压值的变化转化为压力值；薄片式压力传感器分布于执行机构的受力点表面（例如机械手的手指），压在被触物体表面来测量所受到的压力。
27.触觉信号采集组件中的传感器模块包括滑觉传感器。滑觉传感器用来检测执行机
构与被接触物体对象间滑移程度，可将滑移信号转换成可用的输出的电信号，可把滑动引起的机械位移\滚动\振动或压力转化为滑觉值；滑觉传感器分布于接触被触物体的执行机构表面或嵌入，滑觉传感器的滑觉测量面压在被触物体表面来测量所受到的滑移程度。
28.触觉信号采集组件中的传感器模块单独分布时，处理模块和通讯模块集成在执行机构的控制电路中，通过导线和传感器模块相连；触觉信号采集组件中的传感器模块、处理模块和通讯模块集成在一起时，通过导线和执行机构的控制电路相连；触觉信号采集组件采集的触觉信息通过电连接传送给信息处理组件，信息处理组件通过算法转化为触觉显示模式代码。所述算法把这些触觉信息连续数字量放入触觉显示模式分类器中进行判别，最终输出表示触觉信息类别和触觉刺激特征值来表征触觉显示模式代码并通过电连接发送给触觉显示组件。
29.触觉显示组件中的刺激器模块包括温度显示模块。温度显示模块采用半导体片来进行制冷和加热，半导体片的工作原理是基于帕尔帖原理；通过调节通电电流的方向和大小来控制温度；分布于触觉显示区域的皮肤表面上。
30.触觉显示组件中的刺激器模块包括通过电刺激来模拟压觉/滑觉的压觉/滑觉显示模块。电刺激是通过在柔性基底上放置可导电的电极，通过对电流的大小、频率、波形等参数的变化来模拟触觉；分布于触觉显示区域的皮肤表面上。
31.触觉显示组件中的刺激器模块包括通过机械触针来模拟压觉/滑觉的压觉/滑觉显示模块。机械触针通过压电驱动器或电磁作用而伸出，通过对驱动电流的控制而控制伸出量；分布于触觉显示区域的皮肤表面上。触觉显示组件中的刺激器模块包括通过机械振动来模拟压觉/滑觉的压觉/滑觉显示模块。机械振动是由压电驱动器或振动马达产生，通过对振动的大小、频率、波形等参数的变化来模拟触觉；分布于触觉显示区域的皮肤表面上。
32.触觉显示组件中的刺激器模块单独分布时，处理模块和通讯模块集成在信号处理组件的控制电路中，通过导线和刺激器模块相连；触觉显示组件中的刺激器模块、处理模块和通讯模块集成在一起时，通过导线和信号处理组件的控制电路相连；触觉显示组件通过电连接接收信息处理组件发送的携带触觉信息类别和触觉刺激特征值的触觉显示模式代码，处理模块通过算法转化为刺激程序，所述算法根据触觉信息类别和类别值去触发相应的包含特定电流/电压幅度、频率、波形的程序去驱动刺激器模块来模拟触觉。
33.运动意图信号生成及带触觉反馈的控制系统还包括固定套，固定套呈长桶状，底部直径和口部直径不相等。用于信号处理组件、肌肉信号采集组件和触觉显示组件的固定；内层弹性凝聚物是具有和皮肤之间有粘性的凝聚物，具有径向高弹性、张力和一定厚度，外层带弹力的织物其截面上纤维具有高弹性。内层弹性凝聚物与外层带弹力的织物之间紧固的连接。
34.图1示出采集触觉信号的触觉信号采集组件100。100-1为组合了温度、压力、滑觉传感器中的一种或两种或全部的触觉信号采集组件；100-2为组合了力矩传感器的触觉信号采集组件。
35.触觉信号采集组件100-1包括传感器101、壳体103。在一些示例中，壳体103可具有长方形形状因子，使用硬质或柔性材料，用于保护壳内模块免受外力的挤压和破坏；传感器101由温度、压力、滑觉传感器的一种或两种或全部组合构成，每种传感器数量不少于一个；
触觉信号采集组件100-1固定于执行机构的表面上或内嵌，传感器101与被采集触觉信号的物体接触；示例中，触觉信号采集组件100-1包括一个传感器101，但在其他示例中，也可多于一个；当传感器101接触被采集触觉信号的物体时，触觉信号采集组件100-1采集温度、压力、滑觉的一种或两种或全部的值并进行下一步处理。
36.触觉信号采集组件100-2包括传感器104。传感器104由力矩传感器构成；触觉信号采集组件100-2固定于执行机构的伺服电机102上，当执行机构接触并施加力于被采集触觉信号的物体上时，伺服电机102输出力矩，触觉信号采集组件100-2采集力矩值并进行下一步处理。
37.触觉信号采集组件100的壳体103内还可包含电子组件。电子组件能够实现本文中所描述的触觉信号采集组件100的功能的模拟和／或数字电路的任何分立和／或集成电子电路组件。例如，壳体103可容纳传感器101采集触觉信号的电子组件、用于和信号处理组件通信的电子组件、用于信号集中处理的电子组件；或者用于和信号处理组件通信的电子组件、用于信号集中处理的电子组件被集成在执行机构的电路中。
38.图2所示为触觉信号采集组件100的功能框图。触觉信号采集组件100包括传感器模块120、处理模块122、通讯模块124。本公开的模块可包括任何分立的和／或集成的电子电路组件，其实现了能产生模块功能的模拟和／或数字电路。例如，这些模块可包括模拟电路，如放大电路、滤波电路、和／或其他信号调节电路。这些模块也可以包括数字电路，例如，组合的或顺序的逻辑电路等。本模块的功能可具体实施为一个或多个处理器、硬件、固件、软件、或其任何组合。将不同的特征描绘为模块旨在强调不同的功能方面，并且不一定暗示这些模块必须通过单独的硬件或软件组件来实现。相反，与一个或多个模块相关联的功能可由单独的硬件或软件组件执行，或者集成在共同或单独的硬件或软件组件内。
39.传感器模块120经由传感器101或传感器104采集到温度、压力、滑觉或力矩的可表征触觉的信号，并经过滤、放大、和数字化所获取的电信号以生成原始数字信号。处理模块122可接收此数字化信号。在一些示例中，处理模块122可对原始数据执行各种数字信号处理操作，诸如数字滤波；处理模块122可基于从传感器模块120接收的信号来处理成反映触觉信息类别和类别实时值的数字量；通讯模块124在信号处理模块122的控制下，把此实时连续触觉信号值通过电连接发送到信号处理组件中，此电连接方式可以是有线方式的，例如导线，也可是无线方式的；信号处理组件中通过算法对这些连续触觉信号值进行时域或频域分析，最终给出某一特定时间段内触觉显示时域或频域内特征值。
40.图3示出触觉显示组件200包括刺激器201、壳体202。在一些示例中，壳体202可具有长方形形状因子，使用硬质或柔性材料，用于保护壳内模块免受外力的挤压和破坏；刺激器201由温度、压力、滑觉刺激器的一种或两种或全部组合构成，每种刺激器数量不少于一个；触觉显示组件200分布于信号处理组件四周，固定于固定套上，刺激器201与人体皮肤接触；示例中，触觉显示组件200包括一个刺激器201，但在其他示例中，也可多于一个。
41.触觉显示组件200的壳体202内还可包含电子组件。电子组件能够实现本文中所描述的触觉显示组件200的功能的模拟和／或数字电路的任何分立和／或集成电子电路组件。例如，壳体202可容纳刺激器201的电子组件、用于和信号处理组件通信的电子组件、用于信号集中处理的电子组件；或者用于和信号处理组件通信的电子组件、用于信号集中处理的电子组件被集成在信号处理组件的电路中。
42.图4所示为触觉显示组件200的功能框图。触觉显示组件200包括通讯模块220、处理模块222、刺激器模块224。本公开的模块可包括任何分立的和／或集成的电子电路组件，其实现了能产生模块功能的模拟和／或数字电路。例如，这些模块可包括模拟电路，如放大电路、滤波电路、和／或其他信号调节电路。这些模块也可以包括数字电路，例如，组合的或顺序的逻辑电路等。本模块的功能可具体实施为一个或多个处理器、硬件、固件、软件、或其任何组合。将不同的特征描绘为模块旨在强调不同的功能方面，并且不一定暗示这些模块必须通过单独的硬件或软件组件来实现。相反，与一个或多个模块相关联的功能可由单独的硬件或软件组件执行，或者集成在共同或单独的硬件或软件组件内。
43.通讯模块220接收来自信号处理组件的触觉显示模式的信息，触觉显示模式的信息中包含触觉显示类别（温度、压力、滑觉）信息和触觉刺激特征值并传递给处理模块222；处理模块222根据触觉显示模式信息调用特定的（温度、压力、滑觉）刺激模式程序发送给刺激器模块224；刺激器模块224驱动硬件电路带动刺激器201模拟触觉。
44.图5所示为安装并可定位肌肉信号采集组件400、信号处理组件500和触觉显示组件200的固定套300。固定套300由内层弹性凝聚物310和外层带弹力的织物320结合而成，优选地，内层弹性凝聚物使用和皮肤之间有粘性的凝胶或硅胶，优选地，外层带弹力织物使用横截面纤维具有高弹性的氨纶弹力布；优选地，固定套内层弹性凝聚物与外层带弹力的织物之间使用热胶合工艺固定；优选地，肌肉信号采集组件400、信号处理组件500和触觉显示组件200通过胶粘或缝合固定在固定套300内层弹性凝聚物310上；优选地，肌肉信号采集组件400、信号处理组件500和触觉显示组件200都为柔性的；其内层弹性凝聚物310会和皮肤充分紧贴，因弹性凝聚物310、外层带弹力织物320的裹紧作用和弹性凝聚物310和皮肤之间紧密的粘结力，使得固定套300把肌肉信号采集组件400、信号处理组件500和触觉显示组件200牢固的固定在其预定位置上。
45.图6~7所示为运动意图信号生成及带触觉反馈的控制系统及其功能框图。肌肉信号采集组件400、信号处理组件500和触觉显示组件200固定于固定套300上，固定套300预先内表面向外卷成圆圈状，顶端留出一小囊，然后套在残肢端头部，沿着残肢纵向顺势向上展开，将肌肉信号采集组件400牢固的固定在靶肌肉处，将触觉显示组件200牢固的固定在皮肤表面进行触觉刺激反馈区；肌肉信号采集组件400通过固定在靶肌肉皮肤表面上方采集靶肌肉信号并传送给信号处理组件500，信号处理组件500处理成反映人体运动意图的各种动作的模式代码并发送给执行机构去执行，同时触觉信号采集组件100传感器模块120获得执行机构触觉信号后通过导线发送给集成于执行机构电路中的处理模块122和通讯模块124中，触觉信号经处理模块122处理后通过通讯模块124发送给信号处理组件并处理成触觉显示模式代码后再发送给触觉显示组件200去刺激人体皮肤，人体根据触觉反馈产生新的运动意图，肌肉信号采集组件400采集并在信号处理组件500中处理成反映新的人体运动意图的动作模式代码并发送给执行机构去执行，随着控制-反馈-控制循环的不断进行，从而完成反馈闭环的控制。