一种前臂高位截肢假肢驱动控制系统

1.本实用新型属于康复辅具技术领域，涉及一种前臂高位截肢假肢驱动控制系统。


背景技术：

2.肢体残疾导致患者的生活和工作能力下降或丧失，进而使他们承受巨大心理压力。作为替代肢体的假肢能够帮助患者走出困境，复现他们的肢体运动能力。目前主流的智能假肢控制多以肌电操控技术为主，通过解析残肢末端的运动意图来实现对假肢动作的控制。然而，不同于下肢假肢系统，对于上肢的假肢而言，由于上肢操控动作的复杂多样，特别是在任务中往往需要手部动作和肘关节动作的协同进行，这大大增加了假肢系统灵活操控的难度。因此，如何方便有效的灵活操控成为假肢应用中最为实际的问题。
3.目前，市场上的智能假肢大多通过阈值来激活判断，采用两个通道的肌电信号切换来实现假肢的操控。然而，当截肢程度较高时，残留的肢体肌肉较少，有时前臂残肢无法支撑假肢装配需求，这时需增加外置肘关节操控自由度，来辅助完成假肢功能，由于残肢肌电信号源有限，这时智能假肢需要采用按键来进行模式切换，在不同模式操控前需按下模式切换开关来选择，这种切换方式不符合人体运动习惯，且操作复杂，难以实现假肢系统的快速激活，极大地影响了患者控制智能假肢手的时效性和易用程度。因此，从残肢肌电信号的采集，到信号的放大处理，再到运动意图的解码识别，完成假肢系统的自由操控，这样一个复杂的过程，需要一套智能有效的假肢控制系统，可供残疾人员便捷地对假肢进行控制，提高控制的效率及精确度，提高生活的便捷性。


技术实现要素：

4.本实用新型目的是提供一种前臂高位截肢假肢驱动控制系统，解决了无法灵活操控假肢的问题。
5.本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是：
6.一种前臂高位截肢假肢驱动控制系统，包括：电源模块，传感器调理模块，驱动控制模块，信号连接器以及控制系统外壳，其中，所述电源模块分别与传感器调理模块和驱动控制模块相连，所述传感器调理模块和驱动控制模块通过信号连接器相连，所述电源模块、传感器调理模块、驱动控制模块、信号连接器均设于控制系统外壳内。
7.所述电源模块包括四组顺次连接的降压电路。
8.所述传感器调理模块由并联的3路肌电传感器和1路拉伸传感器组成。
9.所述肌电传感器包括顺次连接的肌电传感器电极，肌电传感器电极接口，分级放大电路，干扰抑制电路以及工频滤波电路，所述工频滤波电路通过信号连接器与驱动控制模块相连。
10.所述肌电传感器电极包括：检测电极，零位电极，参考电极，三个电极均与肌电传感器电极接口相连。
11.所述拉伸传感器包括顺次连接的拉伸传感器电极，拉伸传感器接口以及拉伸信号
处理单元，所述拉伸信号处理单元通过信号连接器与驱动控制模块相连。
12.所述拉伸传感器电极包括应变感应区，电极保护区以及传感器连接线，其中，所述应变感应区设于传感器连接线的一端，传感器连接线的另一端与拉伸传感器接口相连，所述电极保护区覆盖于应变感应区之上，使应变感应区贴合于皮肤表面。
13.所述驱动控制模块包括集成控制器以及分别与其连接的电机驱动器、模式选择单元、通信单元和a/d转换器，所述a/d转换器通过信号连接器分别与传感器调理模块中的工频滤波电路和拉伸信号处理单元相连。
14.所述通信单元包括分别与集成控制器连接的can通信电路和串口通信电路。
15.本实用新型具有以下有益效果及优点：
16.本实用新型提供了一种前臂高位截肢假肢驱动控制系统，该系统操作简单，易于用户学习，所使用的传感器便携舒适，穿脱方便，可实现假肢手、假肢肘关节的自然灵活操控，响应速度更快，任务操控更精准，尤其适用于前臂高位截肢患者的佩戴和使用。
附图说明
17.图1为本实用新型的假肢驱动控制系统安装结构图；
18.图2为本实用新型的假肢驱动控制系统原理框图；
19.图3为本实用新型的肌电传感器电极粘贴位置图；
20.图4为本实用新型的拉伸传感器电极结构及安装位置图；
21.图5为拉伸传感器与肘关节运动角度对比跟踪图。
具体实施方式
22.下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步的详细说明。
23.为使本实用新型的上述目的、特征和有点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但本实用新型能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施的限制。
24.需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可能直接在另一个元件上，或也可以存在居中的元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
25.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。
26.如图1所示是本实用新型的假肢驱动控制系统安装结构图。
27.一种适用于前臂高位截肢的假肢驱动控制系统，包括以下部分：
28.电源模块1，传感器调理模块2，以及驱动控制模块3，信号连接器4，控制系统外壳5组成。其中，电源模块1为传感器调理模块2和驱动控制模块3供电；传感器调理模块2与驱动控制模块3通过信号连接器4相连接，传感器调理模块2用于检测残肢末端的运动信息；驱动控制模块3用于完成整个假肢系统的集成控制；信号连接器4为硬质材料，在起到信号传导
作用的同时又起到固定作用，增强假肢运动时控制系统的稳定性；控制系统外壳5用于安装固定各系统模块，起到保护作用，同时外壳表面喷涂导电漆，以屏蔽外界的电磁干扰。
29.如图2所示是本实用新型的假肢驱动控制系统原理框图；
30.所述电源模块1包含四组dc-dc降压电路，分别稳定输出+8.5v，+5v，+3.3v以及-5v直流电压，其中，+8.5v输出电流为3a，用于假肢系统各关节电机供电，-5v电路采用反向电荷泵转换器搭建，为系统中双极性供电的芯片提供负电压。同时，所述电源模块1可适应宽电压供电，供电范围为3.4v～42v。
31.所述传感器调理模块2，包含3路肌电传感器以及1路拉伸传感器，3路肌电传感器组成完全相同，且各路肌电传感器以及拉伸传感器之间独立工作，传感器输入端直接与传感器电极连接，并直接作用于人体残肢末端连接，传感器输出端与驱动控制模块连接。其中肌电传感器由肌电传感器电极2-1，肌电传感器电极接口2-2，分级放大电路2-3，干扰抑制电路2-4以及工频滤波电路2-5构成；肌电传感器电极2-1用于感受人体面部的表面肌电信号；通过肌电传感器电极接口2-2与分级放大电路2-3连接，分级放大电路2-3用于将微弱的表面肌电信号放大至伏特级便于处理和识别，同时采用分级放大的方式提高输入电阻，防止有效信号产生失真；干扰抑制电路2-4用于抑制外部干扰如运动伪差，环境干扰等，从而得到高质量的信号，工频滤波电路2-5为工频陷波器，以抑制环境中的50hz工频干扰。
32.拉伸传感器由拉伸传感器电极2-6，拉伸传感器接口2-7以及拉伸信号处理单元2-8构成，其中，拉伸传感器电极2-6用于测量残肢肘关节运动的角度；通过拉伸传感器接口2-7与拉伸信号处理单元2-8连接，拉伸信号处理单元2-8为电容检测电路，采用电荷积分放大器通过调制解调的方式来检测电容值的变化，进而将所采集的传感器电压数据传输给驱动控制模块3进行解析处理。
33.所述的驱动控制模块3，包括电机驱动器3-1，模式选择单元3-2，通信单元3-3，高精度a/d转换器3-4以及集成控制器3-5五个部分；其中电机驱动器3-1由三相逆变桥电路构成，通过mos管构建倍压电路来增强电路的带负载能力，采用比较器来检测反电动势的过零点，进而完成对电机的换相，进而实现各关节电机组件的操控；模式选择单元3-2由四路带有信号指示灯的按键和去抖动电路组成，用于选择假肢手的工作状态，包括：自动标定肘关节运动工作范围，调整各关节运动速度；连续调整假肢手抓握力的大小等。通信单元3-3由can通信电路和串口通信电路构成，其中can通信电路用于实现电机驱动器的控制，串口通信电路包含两个rs232通信的电路，分别用于监测传感数据和操控指令数据；高精度a/d转换器3-4由24位高精度同步采样adc构成，内含二阶抗混叠模拟滤波器，用于实时采集传感器调理模块2输出的传感器数据；集成控制器3-5为嵌入式微控制系统，用于完成整个假肢系统的集成控制，包括产生驱动控制信号，实现关节电机组件的驱动；接收模式选择单元产生的控制指令完成相应控制操作；采集各传感器数据，实现数据的解码并完成运动意图分析，通过对不同信号的触发顺序以及持续时间进行有效的分析和编码，进而实现假肢系统的实时有效操控。
34.如图3所示是本实用新型的肌电传感器电极粘贴位置图
35.其中，肌电传感器电极2-1采用双差分电极结构构成，用以提高电路的抗干扰能力，可分为检测电极2-1-1，零位电极2-1-2，参考电极2-1-3三个部分，每个电极的结构相同，粘贴位置不同。三个通道的检测电极和零位电极被分别置于大臂肱二头肌a，肱三头肌b
以及残肢末端c，其中，检测电极2-1-1用于感受皮肤表面的肌电信号；零位电极2-1-2设置于紧邻检测电极2-1-1的位置，并与传感器调理模块2的gnd相连接，这样经过差分放大处理后可以得到更大的有效电势差；参考电极2-1-3被设置于远离检测肌肉位置，用于产生基准电压，消除人体体表的电势。
36.如图4所示是本实用新型的拉伸传感器电极结构及安装位置图
37.所述拉伸传感器电极2-6被置于残肢肘关节外侧，用于记录肘关节运动时所产生的角度信息，由于肘关节运动所产生的位置变化会对应引起拉伸传感器的形变，通过解析拉伸传感器的形变量即可推算出肘关节运动的角度。所述拉伸传感器电极包括应变感应区2-6-1，电极保护区2-6-2以及传感器连接线2-6-3三部分，其中应变感应区2-6-1为电容式应变单元，输出电容随应变的增大而增加；电极保护区2-6-2为柔性纺织布材料，可与皮肤紧密贴合，防止应变感应区损伤；传感器连接线2-6-3通过拉伸传感器接口2-7与拉伸信号处理单元2-8相连，将应变感应区内的电容变化传导给拉伸信号处理单元2-8进行解析。
38.如图5所示为拉伸传感器与肘关节运动角度对比跟踪图
39.图中横坐标表示拉伸信号处理单元所传输的传感器数据个数，纵坐标表示运动所产生的角度大小，其中左侧虚线为拉伸传感器所测得角度值，右侧实线为肘关节电机所返回的角度值，从图中对比可以看出，在肘关节连续运动过程中，肘关节电机运动角度紧随拉伸传感器测得角度的变化而变化，当关节运动角度发生反转时，假肢肘关节端可以快速做出响应，实现角度位置的跟随。这样前臂高位截肢者即可通过自身的残肢肘关节完成对假肢肘关节的连续自主操控。