專利名稱：：二自由度肌電假手實(shí)時(shí)控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本實(shí)用新型屬于信息和控制
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及到一種將肌電信息控制人工假手的技術(shù)，具體是二自由度肌電假手實(shí)時(shí)控制裝置。技術(shù)背景肌電信號(hào)(Electromyography,縮寫EMG)是一種伴隨肌肉活動(dòng)的生物電信號(hào)，是肌肉活動(dòng)的電信號(hào)根源，其中蘊(yùn)涵了肌肉活動(dòng)的各種信息，包括與肌肉活動(dòng)相對(duì)應(yīng)的肢體動(dòng)作模式。表面肌電信號(hào)(SurfaceElectromyography,縮寫SEMG)則是淺層肌肉的EMG和神經(jīng)干上電活動(dòng)在皮膚表面的綜合效應(yīng)。由于SEMG在測(cè)量上具有非侵入特性，對(duì)被實(shí)施檢測(cè)的個(gè)體具有無痛苦和便捷的特點(diǎn)，已經(jīng)在臨床醫(yī)學(xué)、運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由表面拾電電極獲取手部截肢者殘臂上的SEMG，對(duì)SEMG進(jìn)行模式信息處理可以得到手部的動(dòng)作模式，根據(jù)模式處理結(jié)果可以達(dá)到對(duì)肌電人工動(dòng)力假手控制的目的。SEMG是截肢者通過殘肢與機(jī)械假手的控制聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)其控制意圖的橋梁。對(duì)于肢體后天缺失的殘疾人，一般情況下仍然具有像肢體健全的健康人一樣的肢體控制意識(shí)，在醫(yī)學(xué)上稱之為"幻肢感"。肌電假手的佩帶者正是利用這種感覺，通過類似健康人控制肢體動(dòng)作的方式控制殘肢的肌肉活動(dòng)，進(jìn)而達(dá)到對(duì)假手控制的目的。所以，肌電動(dòng)力假手具有動(dòng)作自然、仿生性能好的特點(diǎn)，已經(jīng)受到越來越多的關(guān)注。單自由度的肌電假手一般通過拾取截肢者殘端一對(duì)拮抗肌(如腕伸肌和腕屈肌)的SEMG來控制動(dòng)力假手，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)假手的張開和合攏。如，當(dāng)腕伸肌的SEMG強(qiáng)度達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí)，控制電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，反之亦然。這種用兩路肌電信號(hào)分別控制一個(gè)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的方法，工作可靠，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。如，王人成等人研制的清華I型單自由度肌電假手。多自由度假肢通常需要從少通道的SEMG中提取多自由度的動(dòng)作模式信息，識(shí)別率很難達(dá)到100%。1978年，Herberts等人研制了多功能的肌電假手，利用截肢者幻覺和基于SEMG的多動(dòng)作模式識(shí)別，控制一只假手完成3個(gè)自由度的動(dòng)作，動(dòng)作的準(zhǔn)確率為57%。后經(jīng)Denning等人的改進(jìn)，3自由度假手的識(shí)別正確率提高到72%。2000年后，多自由度肌電假手的識(shí)別率己經(jīng)達(dá)到85%以上，但由于仍然存在一定的誤識(shí)率，離實(shí)用尚有一定距離。目前，商用的多自由度假手一般釆用順序控制方式(或開關(guān)切換方式)實(shí)現(xiàn)多自由度假肢的控制，如，腕伸肌收縮時(shí)控制張開，腕屈肌收縮時(shí)控制合攏，腕伸肌、腕屈肌同時(shí)收縮(握拳)時(shí)實(shí)現(xiàn)控制順序切換，此時(shí)，腕伸肌控制腕左旋，腕屈肌控制腕右旋，以此類推實(shí)現(xiàn)多自由度的控制。雖然利用這種方法可以實(shí)現(xiàn)多自由度假肢的控制，但是這種方法因?yàn)榇嬖诓僮鞑环奖?、缺乏?shí)時(shí)性和仿生性能差等缺點(diǎn)，因而在市場(chǎng)上使用的并不多。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種準(zhǔn)確率高、仿生性能好，可以實(shí)時(shí)控制二自由度肌電假手的控制裝置，使其完成四個(gè)假手動(dòng)作的控制裝置。本實(shí)用新型通過接收三股肌肉(尺側(cè)腕伸肌、尺側(cè)腕屈肌和指伸肌)對(duì)應(yīng)的SEMG來實(shí)現(xiàn)二自由度肌電假手的四個(gè)假手動(dòng)作。四個(gè)動(dòng)作指的是假手的張開、合攏、腕伸、腕屈；無運(yùn)動(dòng)意識(shí)時(shí)，三股肌肉處于松弛狀態(tài)，假手不動(dòng)作。本實(shí)用新型控制裝置的技術(shù)方案包括裝在殘臂上的三個(gè)肌電拾電傳感器，每個(gè)肌電拾電傳感器包括三個(gè)拾電電極和與拾電電極信號(hào)連接的當(dāng)?shù)鼗某跫?jí)放大電路，三個(gè)拾電電極分別為正電極、負(fù)電極和地電極。三個(gè)初級(jí)放大電路的輸出端分別與對(duì)應(yīng)的后級(jí)放大濾波電路的輸入端連接，三個(gè)后級(jí)放大濾波電路的輸出端與A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入端連接。二自由度肌電假手的兩個(gè)電機(jī)分別與對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路連接。單片機(jī)分別與A/D轉(zhuǎn)換電路的輸出端、驅(qū)動(dòng)電路的輸入端信號(hào)連接。本實(shí)用新型中的肌電拾電傳感器、后級(jí)放大濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)、電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路采用現(xiàn)有的單自由度肌電假手相應(yīng)的器件。該二自由度肌電假手實(shí)時(shí)控制裝置的控制方法三個(gè)肌電拾電傳感器分別采集來自人體的尺側(cè)腕伸肌、尺側(cè)腕屈肌和指伸肌對(duì)應(yīng)的SEMG，經(jīng)過放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換處理后輸入單片機(jī)中；單片機(jī)對(duì)處理后的SEMG強(qiáng)弱進(jìn)行判斷，并輸出四路控制信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路帶動(dòng)二自由度電動(dòng)假手的電機(jī)，完成二自由度電動(dòng)假手的四個(gè)動(dòng)作。本實(shí)用新型中單片機(jī)對(duì)處理后的SEMG強(qiáng)弱判斷是通過尺側(cè)腕伸肌、尺側(cè)腕屈肌、指伸肌對(duì)應(yīng)的三路SEMG的強(qiáng)弱組合，控制假手張開、合攏、腕伸、腕屈四個(gè)動(dòng)作。三路SEMG強(qiáng)弱組合與四個(gè)動(dòng)作的對(duì)應(yīng)關(guān)系是指伸肌SEMG強(qiáng)，控制二自由度肌電假手的電機(jī)，假手張開；尺側(cè)腕伸肌SEMG強(qiáng)、尺側(cè)腕屈肌SEMG強(qiáng)，假手合攏；尺側(cè)腕伸肌SEMG強(qiáng)、尺側(cè)腕屈肌SEMG弱，做伸腕動(dòng)作；尺側(cè)腕屈肌SEMG強(qiáng)、尺側(cè)腕伸肌SEMG弱，做屈腕動(dòng)作；指伸肌SEMG弱、尺側(cè)腕伸肌SEMG弱、尺側(cè)腕屈肌SEMG弱，假手不動(dòng)作。SEMG強(qiáng)弱判斷算法可以通過對(duì)SEMG幅值的累加，或絕對(duì)值累加，或方差大小等方法得到有效的判斷，這些方法都是現(xiàn)有常規(guī)的方法(例如使用在單自由度肌電假手控制中)。本實(shí)用新型基于SEMG的手部多運(yùn)動(dòng)模式識(shí)別是通過判斷SEMG的信號(hào)強(qiáng)弱來實(shí)現(xiàn)的，識(shí)別的正確率達(dá)到100。％，動(dòng)作控制可靠，避免傳統(tǒng)商用的多自由度肌電假手需要通過切換才能達(dá)到多自由度假手的控制的情況，實(shí)現(xiàn)了高可靠識(shí)別率下二自由度假手四個(gè)動(dòng)作的實(shí)時(shí)控制，使多自由度假手控制的仿生能力得到很大提高。圖1為本實(shí)用新型裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1中拾電傳感器的結(jié)構(gòu)圖。具體實(shí)施方式參照本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)以及工作過程。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示，二自由度肌電假手實(shí)時(shí)控制裝置包括分別放置于殘疾人殘臂的尺側(cè)腕伸肌、尺側(cè)腕屈肌、指伸肌所對(duì)應(yīng)的皮膚表面處的三個(gè)肌電拾電傳感器1。每個(gè)肌電拾電傳感器1包括三個(gè)拾電電極7和與拾電電極7信號(hào)連接的當(dāng)?shù)鼗某跫?jí)放大電路8，三個(gè)拾電電極7分別為正電極、負(fù)電極和地電極。肌電拾電傳感器1的拾電電極7、初級(jí)放大電路8在結(jié)構(gòu)上是一體化的，拾電電極7是長方形鍍金銅電極，其大小與形狀與常規(guī)應(yīng)用于SEMG拾取的電極一樣，初級(jí)放大電路8采用常規(guī)的儀器放大器，初級(jí)放大電路8置于拾電電極之后，由一個(gè)塑料殼體封裝在一起。初級(jí)放大電路8與拾電電極7—體化有利于提高SEMG的信噪比。三個(gè)初級(jí)放大電路8的輸出端分別與對(duì)應(yīng)的后級(jí)放大濾波電路2的輸入端連接，三個(gè)后級(jí)放大濾波電路2的輸出端與A/D轉(zhuǎn)換電路3的輸入端連接。二自由度肌電假手的兩個(gè)電機(jī)6分別與對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路5連接。單片機(jī)4分別與A/D轉(zhuǎn)換電路3的輸出端、驅(qū)動(dòng)電路5的輸入端信號(hào)連接。該裝置中的后級(jí)放大濾波電路2、A/D轉(zhuǎn)換電路3、單片機(jī)4、電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路5均采用現(xiàn)有的單自由度肌電假手相應(yīng)的器件。工作中，由肌電拾電傳感器1拾取的SEMG經(jīng)放大電路、濾波處理電路、A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集、單片機(jī)完成假手運(yùn)動(dòng)的張開、合攏、腕伸、腕屈四個(gè)動(dòng)作模式狀態(tài)識(shí)別算法，并根據(jù)得到的動(dòng)作模式信息驅(qū)動(dòng)假手，達(dá)到二自由度假手對(duì)應(yīng)四個(gè)動(dòng)作的控制。形成一個(gè)具有大腦一神經(jīng)一前臂肌肉—表面肌電信號(hào)一單片機(jī)信息處理及控制一假手控制電機(jī)這樣一種控制途徑的二自由度仿生神經(jīng)肌電假手。二自由度肌電假手工作中，三路SEMG的強(qiáng)弱與假手動(dòng)作模式間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表l所示，它反映了一種判斷方法，實(shí)質(zhì)上就是前面提及的基于單片機(jī)的四個(gè)動(dòng)作模式狀態(tài)識(shí)別。張開、合攏、腕伸、腕屈四個(gè)動(dòng)作模式狀態(tài)識(shí)別算法系指通過尺側(cè)腕伸肌、尺側(cè)腕屈肌、指伸肌對(duì)應(yīng)的三路SEMG不同的強(qiáng)、弱組合，得到假手張開、合攏、腕伸、腕屈四個(gè)動(dòng)作模式狀態(tài)信息。三路SEMG強(qiáng)弱組合與四個(gè)動(dòng)作的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1:信<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表l當(dāng)佩戴二自由度肌電假手的殘疾人需要控制假手動(dòng)作時(shí)，由于殘疾人所擁有的幻肢感，只需要像健康人所意圖控制的那樣完成對(duì)應(yīng)的動(dòng)作，肌電假手將根據(jù)對(duì)應(yīng)手部動(dòng)作的三路SEMG，在判斷、識(shí)別的基礎(chǔ)上，控制假手完成相應(yīng)的動(dòng)作腕部上翻運(yùn)動(dòng)意識(shí)，假手同步完成腕伸動(dòng)作；腕部下翻運(yùn)動(dòng)意識(shí)，假手同步完成腕屈動(dòng)作；五指伸展運(yùn)動(dòng)意識(shí)，假手手部張開；握拳運(yùn)動(dòng)意識(shí)，假手手部合攏；手部放松意識(shí)，假手不做任何動(dòng)作。避免傳統(tǒng)商用的多自由度肌電假手需要通過切換才能達(dá)到多自由度假手的控制的情況，實(shí)現(xiàn)了二自由度假手四個(gè)動(dòng)作的實(shí)時(shí)控制。權(quán)利要求1、二自由度肌電假手實(shí)時(shí)控制裝置，其特征在于該裝置包括三個(gè)肌電拾電傳感器，每個(gè)肌電拾電傳感器包括三個(gè)拾電電極和與拾電電極信號(hào)連接的當(dāng)?shù)鼗某跫?jí)放大電路，三個(gè)拾電電極分別為正電極、負(fù)電極和地電極；三個(gè)初級(jí)放大電路的輸出端分別與對(duì)應(yīng)的后級(jí)放大濾波電路的輸入端連接，三個(gè)后級(jí)放大濾波電路的輸出端與A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入端連接；二自由度肌電假手的兩個(gè)電機(jī)分別與對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路連接，單片機(jī)分別與A/D轉(zhuǎn)換電路的輸出端、驅(qū)動(dòng)電路的輸入端信號(hào)連接。專利摘要本實(shí)用新型涉及到一種將肌電信息控制人工假手的技術(shù)?，F(xiàn)有的多自由度假手采用順序控制方式或開關(guān)切換方式實(shí)現(xiàn)控制，缺乏實(shí)時(shí)性、仿生性能差。本實(shí)用新型包括三個(gè)肌電拾電傳感器，肌電拾電傳感器與后級(jí)放大濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)和二自由度肌電假手的兩個(gè)電機(jī)順序信號(hào)連接。本實(shí)用新型通過接收三股肌肉(尺側(cè)腕伸肌、尺側(cè)腕屈肌和指伸肌)對(duì)應(yīng)的表面肌電信號(hào)來實(shí)現(xiàn)二自由度肌電假手的四個(gè)假手動(dòng)作，手部多運(yùn)動(dòng)模式識(shí)別正確率達(dá)到100％，實(shí)現(xiàn)了高可靠識(shí)別率下二自由度假手四個(gè)動(dòng)作的實(shí)時(shí)控制。文檔編號(hào)A61F2/72GK201029960SQ20072010847公開日2008年3月5日申請(qǐng)日期2007年4月24日優(yōu)先權(quán)日2007年4月24日發(fā)明者席旭剛,李文國,羅志增申請(qǐng)人:杭州電子科技大學(xué)