RU2748428C1 - Complex for bionic control of technical devices - Google Patents

Complex for bionic control of technical devices Download PDF

Info

Publication number
RU2748428C1
RU2748428C1 RU2020105312A RU2020105312A RU2748428C1 RU 2748428 C1 RU2748428 C1 RU 2748428C1 RU 2020105312 A RU2020105312 A RU 2020105312A RU 2020105312 A RU2020105312 A RU 2020105312A RU 2748428 C1 RU2748428 C1 RU 2748428C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
unit
control
input
mmg
signal
Prior art date
Application number
RU2020105312A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Андрей Николаевич Брико
Анастасия Денисовна Парновская
Мария Хайдаровна Ларионова
Светлана Ивановна Дьяченкова
Сергей Игоревич Щукин
Александр Викторович Кобелев
Original Assignee
Андрей Николаевич Брико
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Андрей Николаевич Брико filed Critical Андрей Николаевич Брико
Priority to RU2020105312A priority Critical patent/RU2748428C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2748428C1 publication Critical patent/RU2748428C1/en

Links

Images

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/05Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves 
    • A61B5/053Measuring electrical impedance or conductance of a portion of the body
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/24Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
    • A61B5/30Input circuits therefor
    • A61B5/307Input circuits therefor specially adapted for particular uses
    • A61B5/313Input circuits therefor specially adapted for particular uses for electromyography [EMG]
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61FFILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/50Prostheses not implantable in the body
    • A61F2/68Operating or control means
    • A61F2/70Operating or control means electrical
    • A61F2/72Bioelectric control, e.g. myoelectric

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Vascular Medicine (AREA)
  • Cardiology (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Transplantation (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Measurement And Recording Of Electrical Phenomena And Electrical Characteristics Of The Living Body (AREA)
  • Prostheses (AREA)

Abstract

FIELD: medicine.SUBSTANCE: invention relates to medicine, namely to complexes of bionic control of technical devices. The complex contains a biosignal recording unit and a control action implementation unit connected in series to each other, containing a control unit and an executive unit connected in series. The biosignal recording unit includes a current source, two outputs of which are connected respectively to two current electrodes. Two measuring electrodes are connected to the inputs of the input amplifier, the output of which is the input of the units for processing the electromyogram (EMG) and impedance channels, respectively. A mechanomyographic (MMG) channel sensor is introduced into the biosignal registration unit, which is powered by a reference voltage source, the signal from which is fed to an input amplifier, the output of which is connected in series to the input of the MMG processing unit. The outputs of the processing units for the EMG, impedance and introduced MMG channels are connected to the input of the signal registration unit. A modem is introduced into the block for implementing control actions, which is designed to exchange data with modems located in the blocks for registering biosignals.EFFECT: improved control accuracy of technical devices is achieved.1 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к биофизике и медицинской технике и может быть использовано для управления техническими устройствами типа биоэлектрического протеза, биоэлектрического ортеза, экзоскелета, компьютера, игровой приставки или другими техническими устройствами подобного типа.The invention relates to biophysics and medical technology and can be used to control technical devices such as a bioelectric prosthesis, bioelectric orthosis, exoskeleton, computer, game console or other technical devices of a similar type.

В последние годы в сферу медицины все шире внедряются различные робототехнические устройства. Это связано с развитием соответствующей элементной базы, разработкой и созданием биологически безопасных материалов, а также методов получения и цифровой обработки информации о состоянии отдельных органов человека. Наибольшее распространение получило использование биопотенциалов, в первую очередь электромиограммы. Электромиография – это метод исследования биоэлектрических потенциалов, возникающих в скелетных мышцах человека и животных при возбуждении мышечных волокон и регистрация их электрической активности. Известно, что иннервация электрическими импульсами двигательных единиц, которые образуют пучки мышечных волокон, приводит к деполяризации мембраны мышечных волокон, в результате чего двигательные единицы способны генерировать потенциал действия, который распространяясь по нервным волокнам вызывает мышечное сокращение. Причем для поддержания мышечного сокращения двигательные единицы должны быть иннервированы неоднократно, что растягивает процесс сокращения во времени. Сумма потенциалов действия от всех вовлеченных в сокращение двигательных единиц формирует сигнал электромиограммы (ЭМГ), который можно зарегистрировать, используя игольчатые или поверхностные электроды. [De Luca, Carlo (2006), Electromyography. Encyclopedia of Medical Devices and Instrumentation, Second Edition, Volume 3. John Wiley Publisher, pp. 98-109]. Последующая обработка и извлечение информативных признаков из ЭМГ позволяет сформировать управляющее воздействие и реализовать управление техническими устройствами, например, биоэлектрическими протезами. [Alter, Ralph (1966), Bioelectric Control of Prostheses, Technical Report: Massachusetts Institute of Technology, Research Laboratory of Electronics].In recent years, various robotic devices have been increasingly introduced into the field of medicine. This is due to the development of the corresponding element base, the development and creation of biologically safe materials, as well as methods for obtaining and digital processing of information about the state of individual human organs. The most widespread is the use of biopotentials, primarily electromyogram. Electromyography is a method for studying bioelectric potentials arising in the skeletal muscles of humans and animals upon excitation of muscle fibers and recording their electrical activity. It is known that the innervation of electrical impulses of motor units, which form bundles of muscle fibers, leads to depolarization of the membrane of muscle fibers, as a result of which motor units are able to generate an action potential, which propagates along the nerve fibers and causes muscle contraction. Moreover, to maintain muscle contraction, motor units must be innervated repeatedly, which stretches the contraction process over time. The sum of the action potentials from all motor units involved in contraction forms an electromyogram (EMG) signal, which can be recorded using needle or surface electrodes. [De Luca, Carlo (2006), Electromyography. Encyclopedia of Medical Devices and Instrumentation, Second Edition, Volume 3. John Wiley Publisher, pp. 98-109]. Subsequent processing and extraction of informative features from EMG makes it possible to form a control action and implement control of technical devices, for example, bioelectric prostheses. [Alter, Ralph (1966), Bioelectric Control of Prostheses, Technical Report: Massachusetts Institute of Technology, Research Laboratory of Electronics].

Создание таких устройств особенно перспективно для реабилитации после ампутаций и параличей и восстановления функций опорно-двигательного аппарата. В таких случаях остаточная биоэлектрическая активность усеченных или парализованных мышц используется для управления движениями протеза или ортопедического аппарата. Электрическая активность мышц регистрируется электродами с культи, сформированные электрические сигналы поступают содержат данные о виде совершаемого движения. Эти данные преобразуются в соответствующие управляющие сигналы исполнительных механизмов искусственной конечности. Очевидно, что для создания качественных протезов с биоэлектрическим управлением необходим качественный и стабильный сигнал от датчиков.The creation of such devices is especially promising for rehabilitation after amputations and paralysis and restoration of the functions of the musculoskeletal system. In such cases, the residual bioelectric activity of the truncated or paralyzed muscles is used to control the movements of the prosthesis or orthopedic apparatus. The electrical activity of the muscles is recorded by electrodes from the stump, the generated electrical signals are received containing data on the type of movement performed. This data is converted into the corresponding control signals of the artificial limb actuators. It is obvious that the creation of high-quality bioelectrical-controlled prostheses requires a high-quality and stable signal from the sensors.

Известен способ электромиографического управления протезами по патенту WO №2012150500, A61F 2/60. A61F 2/68 A61F 2/70), согласно которому осуществляют формирование управляющего сигнала посредством регистрации электрофизиологического сигнала с мышцы, обработку его, передачу результатов обработки в блок управления и затем на исполнительный механизм.The known method of electromyographic control of prostheses according to the patent WO No. 2012150500, A61F 2/60. A61F 2/68 A61F 2/70), according to which a control signal is formed by registering an electrophysiological signal from a muscle, processing it, transferring the processing results to the control unit and then to the actuator.

Недостатком этого способа, как и других известных способов электромиографического управления протезами является то, что в следствие аддитивного характера электромиографического сигнала потенциалы действия от соседних мышц накладываются друг на друга, поэтому получить сигнал ЭМГ об активности конкретной мышцы крайне тяжело. Кроме того, влияние перекрестных (интерференционных) помех от соседних мышц возрастает с ростом расстояния между измерительными электродами. Другим принципиальным недостатком электромиографического управления протезами является то, что сигналы ЭМГ хорошо отражают лишь начало и окончание мышечного сокращения, но не дают истинного представления о характере движения мышцы в процессе ее сокращения.The disadvantage of this method, as well as other known methods of electromyographic control of prostheses, is that due to the additive nature of the electromyographic signal, action potentials from neighboring muscles are superimposed on each other, therefore, it is extremely difficult to receive an EMG signal about the activity of a particular muscle. In addition, the influence of cross-talk (interference) from adjacent muscles increases with increasing distance between the measuring electrodes. Another fundamental disadvantage of electromyographic control of prostheses is that EMG signals reflect well only the beginning and end of muscle contraction, but do not give a true idea of the nature of muscle movement during its contraction.

Частично этот недостаток устраняется в известном «Способе бионического управления техническими устройствами», представленном патентами на изобретение RU № 2627818 и WO2017160183, А61B 5/0488, A61F 2/54. Техническая задача, решаемая этим изобретением, заключается в получении относительно качественного и стабильного сигнала, который при управлении техническим устройством позволял формировать управляющие воздействия, пропорциональные степени мышечного сокращения, с задержкой не более 120 мс. В этом случае появляется принципиальная возможность превращения в управляющий сигнал «самого движения мышцы» во времени, тогда как известные способы снятия биопотенциалов с мышцы с помощью ЭМГ-датчиков фиксируют лишь начало сокращения мышцы.This disadvantage is partially eliminated in the well-known "Method for bionic control of technical devices" presented by patents for invention RU No. 2627818 and WO2017160183, A61B 5/0488, A61F 2/54. The technical problem solved by this invention is to obtain a relatively high-quality and stable signal, which, when controlling the technical device, made it possible to form control actions proportional to the degree of muscle contraction, with a delay of no more than 120 ms. In this case, there is a fundamental possibility of transforming into a control signal "the movement of the muscle itself" in time, while the known methods of removing biopotentials from a muscle using EMG sensors record only the beginning of muscle contraction.

При указанном способе бионического управления техническими устройствами управляющее воздействие формируется посредством регистрации электрофизиологического сигнала с сокращающейся мышцы, обработки сигнала, передачи его в блок управления и затем на исполнительный механизм. При этом регистрацию электрофизиологического сигнала осуществляют путем пропускания через мышцу переменного электрического тока, затем определяют электрический импеданс, а в качестве управляющего воздействия в дополнение к ЭМГ-сигналу используют изменение электрического импеданса при сокращении мышцы, для регистрации которого пропускают через кожные покровы и ткани человека электрический ток с использованием токовых электродов, расположенных на поверхности кожных покровов и/или в глубине тканей. Частоту пропускаемого электрического тока выбирают предпочтительно в диапазоне от 10 кГц до 100 МГц, амплитуду тока – в диапазоне от 0,01 до 10 мА, в то время, как для получения ЭМГ-сигнала используют диапазон частот от 50 Гц до 400 Гц. При этом управляющее воздействие формируют с использованием обоих сенсорных каналов. Описанный в указанном патенте комплекс для реализации данного способа выбран в качестве прототипа предлагаемого изобретения.With this method of bionic control of technical devices, the control action is formed by registering an electrophysiological signal from a contracting muscle, processing the signal, transmitting it to the control unit and then to the actuator. In this case, the registration of the electrophysiological signal is carried out by passing an alternating electric current through the muscle, then the electrical impedance is determined, and as a control action, in addition to the EMG signal, a change in the electrical impedance is used during muscle contraction, for the registration of which an electric current is passed through the skin and tissues of a person using current electrodes located on the surface of the skin and / or deep in the tissues. The frequency of the transmitted electric current is preferably selected in the range from 10 kHz to 100 MHz, the amplitude of the current in the range from 0.01 to 10 mA, while the frequency range from 50 Hz to 400 Hz is used to obtain the EMG signal. In this case, the control action is formed using both sensory channels. The complex described in the specified patent for the implementation of this method is selected as a prototype of the present invention.

Он позволяет достаточно точно управлять движением протеза руки, обеспечивая различие таких типов совершаемых действий как сгибание и разгибание, предоставляя возможность пропорционального управления устройством.It allows you to accurately control the movement of the hand prosthesis, providing a distinction between such types of actions performed as flexion and extension, providing the ability to proportionally control the device.

Однако недостатком вышеуказанного прототипа является зависимость сигналов биоимпеданса от сопротивления электрод-кожа. Также он не позволяет учитывать силу прижатия электродной системы и ее перекосов, которые значительно влияют на качество регистрации сигнала биоимпеданса, что приводит к ошибкам в управлении устройством. Кроме того, при расположении электродных систем в проекции мышц, не участвующих в выполняемом действии, сигнал ЭМГ не выражен, что усложняет его анализ.However, the disadvantage of the above prototype is the dependence of the bioimpedance signals on the electrode-skin resistance. Also, it does not allow taking into account the pressing force of the electrode system and its distortions, which significantly affect the quality of recording the bioimpedance signal, which leads to errors in device control. In addition, when the electrode systems are located in the projection of the muscles that are not involved in the performed action, the EMG signal is not expressed, which complicates its analysis.

Настоящее изобретение направлено на устранение указанных недостатков, т.е. на контроль зависимости сигнала биоимпеданса от величины сопротивления электрод-кожа и силы прижатия электродной системы, учет перекосов электродной системы, увеличение информативности получаемых данных, путем добавления дополнительного информационного управляющего канала сигнала механомиограммы (ММГ), а также на достижение более точного и антропоморфного управления такими техническими устройствами, как биоэлектрический протез, биоэлектрический ортез, экзоскелет, компьютер, игровая приставка и т.п.The present invention is aimed at eliminating these disadvantages, i. E. to control the dependence of the bioimpedance signal on the value of the electrode-skin resistance and the pressing force of the electrode system, to take into account the distortions of the electrode system, to increase the information content of the obtained data by adding an additional informational control channel of the mechanomyogram signal (MMG), as well as to achieve a more accurate and anthropomorphic control of such technical devices such as a bioelectric prosthesis, bioelectric orthosis, exoskeleton, computer, game console, etc.

Ожидаемым техническим результатом применения предлагаемого изобретения является повышение эффективности бионического управления такими техническими устройствами.The expected technical result of the application of the proposed invention is an increase in the efficiency of bionic control of such technical devices.

Для достижения этого технического результата в блок регистрации биосигналов, содержащийся в представленном комплексе бионического управления техническими устройствами, был добавлен третий информационный канал, то есть в комплексе бионического управления техническими устройствами, содержащем последовательно подключенные друг к другу блок регистрации биосиналов и блок реализации управляющих воздействий, содержащем последовательно включенные блок управления и исполнительный блок, являющийся выходом комплекса, в котором блок регистрации биосигналов включает в себя источник тока, два выхода которого подключены соответственно к двум токовым электродам, два измерительных электрода подключены ко входам входного усилителя, выход которого является входом блоков обработки каналов электромиограммы (ЭМГ) и импеданса соответственно, в блок регистрации биосигналов введен датчик механомиографического (ММГ) канала, питающийся от источника опорного напряжения, сигнал с которого подаётся на входной усилитель, выход которого подключен последовательно ко входу блока обработки ММГ, выходы блоков обработки каналов ЭМГ, импеданса и введенного ММГ подключены ко входу блока регистрации сигналов, при этом в блок реализации управляющих воздействий введен модем, выполненный с возможностью обмена данными с модемом, находящимся в блоке регистрации биосигналов.To achieve this technical result, a third information channel was added to the biosignal registration unit contained in the presented complex for bionic control of technical devices, that is, in the complex of bionic control of technical devices, containing a biosynals registration unit connected in series to each other and a control action implementation unit containing the control unit and the executive unit connected in series, which is the output of the complex, in which the biosignal recording unit includes a current source, two outputs of which are connected respectively to two current electrodes, two measuring electrodes are connected to the inputs of the input amplifier, the output of which is the input of the electromyogram channel processing units (EMG) and impedance, respectively, a mechanomyographic (MMG) channel sensor is introduced into the biosignal recording unit, which is powered from a reference voltage source, the signal from which is fed to the input force tel, the output of which is connected in series to the input of the MMG processing unit, the outputs of the processing units of the EMG, impedance and introduced MMG channels are connected to the input of the signal registration unit, while a modem is inserted into the control action implementation unit capable of exchanging data with the modem located in the unit registration of biosignals.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами.The invention is illustrated by the following graphic materials.

Фиг. 1 Обобщенная структурная схема комплекса бионического управления.FIG. 1 Generalized block diagram of the bionic control complex.

Фиг. 2 Структурная схема блока регистрации биосигналов.FIG. 2 Block diagram of the biosignal registration unit.

Фиг. 3 Электродная сборка для регистрации биосигналов.FIG. 3 Electrode assembly for registration of biosignals.

Фиг. 4 Проекции задействованных мышц предплечья по отношению к выполняемому действию.FIG. 4 Projections of the forearm muscles involved in relation to the action being performed.

Фиг. 5 Пример биосигналов при сгибании/разгибании кисти.FIG. 5 Example of biosignals during flexion / extension of the hand.

Фиг. 6 Пример биосигналов при схвате/раскрытии кисти.FIG. 6 Example of biosignals when grasping / opening the hand.

Комплекс бионического управления (фиг. 1) техническими устройствами содержит два последовательно подключенных друг к другу блока: блок регистрации биосигналов и блок реализации управляющих воздействий, который является выходом комплекса.The bionic control complex (Fig. 1) of technical devices contains two units connected in series to each other: a biosignal registration unit and a control action implementation unit, which is the output of the complex.

Блок регистрации биосигналов включает в себя источник тока (4), подключенный к двум токовым электродам (ТЭ1, ТЭ2). Дифференциальный сигнал с двух измерительных электродов (ИЭ1, ИЭ2) подается на входной усилитель (3). Выход входного усилителя (3) подключен к входам блоков обработки сигналов ЭМГ (6) и импеданса (7) соответственно. Третий информационный канал представлен датчиком силы (ДС), который питается источником опорного напряжения (1). Сигнал с ДС подается на входной усилитель (2), выход которого подключен ко входу блоку обработки сигналов ММГ (5). Рассмотренные блоки обработки (сигналов ММГ (5), ЭМГ (6) и импеданса (7)) подключены к блоку регистрации сигналов (8), который может быть общим блоком для всех, так и отдельным для каждого из каналов.The biosignal registration unit includes a current source (4) connected to two current electrodes (TE1, TE2). The differential signal from two measuring electrodes (IE1, IE2) is fed to the input amplifier (3). The output of the input amplifier (3) is connected to the inputs of the EMG signal processing units (6) and impedance (7), respectively. The third information channel is represented by a force sensor (DS), which is powered by a reference voltage source (1). The signal from the DS is fed to the input amplifier (2), the output of which is connected to the input of the MMG signal processing unit (5). The considered processing units (signals MMG (5), EMG (6) and impedance (7)) are connected to the signal registration unit (8), which can be a common unit for all, or separate for each of the channels.

В блок реализации управляющих воздействий вводят модем (11), выполняющий коммуникацию с модемом (9), находящимся в блоке регистрации биосигналов. Благодаря использованию данной технологии возможно увеличение количества каналов путем объединения блоков регистрации биосигналов и блока реализации управляющих воздействий в информационную сеть.A modem (11) is introduced into the unit for implementing control actions, which communicates with the modem (9) located in the biosignal registration unit. Thanks to the use of this technology, it is possible to increase the number of channels by combining biosignals registration units and a control action implementation unit into an information network.

Описанный выше комплекс бионического управления техническими устройствами работает следующим образом (фиг. 2). Находящийся в блоке регистрации биосигналов микроконтроллер (5) подает задающее напряжение на источник тока (1), который преобразует это напряжение в дифференциальный переменный электрический ток частотой 100 кГц и амплитудой 3 мА. Этот ток подается на токовые электроды электродной сборки, расположенной на поверхности кожных покровов над интересующей мышцей. Дифференциальное напряжение на измерительных электродах, которое регистрирует входной усилитель (4), представляет собой сумму синфазной помехи, сигнала ЭМГ и амплитудно-модулированного напряжения на частоте 100 кГц, представляющего собой разность потенциалов, возникающую от воздействия источника тока (1) (сигнал электрического импеданса). Основное назначение входного усилителя (4) - подавление синфазной помехи. Сигнал ЭМГ отделяется от сигнала электрического импеданса полосовым фильтром (8) ЭМГ канала с полосой пропускания от 50 Гц до 500 Гц. Амплитудно-модулированный сигнал электрического импеданса отделяется от сигнала ЭМГ полосовым фильтром (9) канала импеданса с полосой пропускания от 10 кГц до 1 МГц и детектируется синхронным детектором (10). Для работы синхронного детектора (10) в качестве несущей опорной частоты микроконтроллер (5) генерирует тот же опорный сигнал, что и для соответствующего источника тока (1). ММГ может регистрироваться с помощью ДС Honeywell FSG15N1A, питающийся от источника опорного напряжения (2). Сигнал с ДС подается на входной усилитель (3), обеспечивающий удаление синфазной помехи, затем на фильтр ММГ канала (7) и дополнительно усиливается с помощью усилителя ММГ канала (11). После дополнительного усиления, сигналы со всех каналов (11, 12, 13) оцифровываются с помощью аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) (14), который может быть общим для всех каналов, так и отдельным для каждого. С помощью модема (6) данные биосигналов передаются дальше в блок реализации управляющих воздействий на объект управления посредством общепринятых интерфейсов передачи (USB, CAN, Bluetooth и т.п.).The above-described complex of bionic control of technical devices operates as follows (Fig. 2). The microcontroller (5) located in the biosignal recording unit supplies the control voltage to the current source (1), which converts this voltage into a differential alternating electric current with a frequency of 100 kHz and an amplitude of 3 mA. This current is applied to the current electrodes of an electrode assembly located on the surface of the skin over the muscle of interest. The differential voltage across the measuring electrodes, which is recorded by the input amplifier (4), is the sum of the common-mode noise, the EMG signal and the amplitude-modulated voltage at a frequency of 100 kHz, which is the potential difference arising from the action of the current source (1) (electrical impedance signal) ... The main purpose of the input amplifier (4) is to suppress common mode noise. The EMG signal is separated from the electrical impedance signal by a bandpass filter (8) of an EMG channel with a bandwidth from 50 Hz to 500 Hz. The amplitude-modulated electrical impedance signal is separated from the EMG signal by a bandpass filter (9) of the impedance channel with a bandwidth from 10 kHz to 1 MHz and is detected by a synchronous detector (10). To operate the synchronous detector (10) as the carrier of the reference frequency, the microcontroller (5) generates the same reference signal as for the corresponding current source (1). MMG can be registered using DS Honeywell FSG15N1A powered from a reference voltage source (2). The signal from the DS is fed to the input amplifier (3), which removes common-mode noise, then to the MMG channel filter (7) and is additionally amplified using the MMG channel amplifier (11). After additional amplification, signals from all channels (11, 12, 13) are digitized using an analog-to-digital converter (ADC) (14), which can be common for all channels, or separate for each. With the help of the modem (6), the biosignal data is transmitted further to the unit for the implementation of control actions on the control object through the generally accepted transmission interfaces (USB, CAN, Bluetooth, etc.).

Таким образом получают управляющие сигналы при использовании одного отведения (при регистрации биосигналов с одной области). При необходимости увеличения количества распознаваемых комплексом действий возможно добавление отведений путем подключения дополнительных блоков регистрации биосигналов к модему блока реализации управляющих воздействий. При регистрации перекосов электродной системы используются два ДС.Thus, control signals are obtained when using one lead (when registering biosignals from one area). If it is necessary to increase the number of actions recognized by a complex of actions, it is possible to add leads by connecting additional blocks for recording biosignals to the modem of the block for implementing control actions. When registering distortions of the electrode system, two DSs are used.

Для рассматриваемого комплекса бионического управления техническими устройствами может использоваться электродная сборка (фиг. 3), выполненная на основе тетраполярной системы отведения и двух датчиков силы, закрепленных в монтажной платформе, в которой предусмотрены пазы для крепления медицинских жгутов, которые позволяет надежно зафиксировать электродную сборку для регистрации сигналов.For the considered complex of bionic control of technical devices, an electrode assembly (Fig. 3) can be used, made on the basis of a tetrapolar retraction system and two force sensors fixed in a mounting platform, in which grooves are provided for fastening medical harnesses, which allows you to reliably fix the electrode assembly for registration signals.

Электродная сборка располагается на области предплечья, в проекциях интересующих мышц (например, разгибателей и сгибателей кисти) (фиг. 4). Оператор напрягает и расслабляет мышцы так же, как при естественных движениях кисти. С измерительных электродов и датчиков силы регистрируются сигналы, в результате их преобразования на исполнительный блок поступают управляющие сигналы, несущие информацию о совершенном мышечном движении.The electrode assembly is located on the forearm, in the projections of the muscles of interest (eg, extensors and flexors of the hand) (Fig. 4). The operator tenses and relaxes the muscles in the same way as with natural hand movements. Signals are recorded from the measuring electrodes and force sensors, as a result of their transformation, control signals are sent to the executive unit, carrying information about the perfect muscle movement.

Пример биосигналов в рамках одного исследования при расположении электродной сборки в проекции мышц-разгибателей при выполнении добровольцем сгибания-разгибания кисти в зависимости от различных степеней прижатия электродной системы представлен на фиг. 5.An example of biosignals within the framework of one study with the location of the electrode assembly in the projection of the extensor muscles when the volunteer performs flexion-extension of the hand, depending on different degrees of pressing of the electrode system, is shown in Fig. five.

Пример биосигналов в рамках одного исследования при расположении электродной сборки в проекции мышц, участвующих при схвате, при выполнении добровольцем схвата-раскрытия кисти в зависимости от различных степеней прижатия электродной системы представлен на фиг. 6.An example of biosignals within the framework of one study with the location of the electrode assembly in the projection of the muscles involved in the grip, when the volunteer performs the grip-opening of the hand, depending on the different degrees of pressing of the electrode system, is shown in Fig. 6.

ЭМГ и ММГ сигналы несут информацию о степени мышечного сокращения, а совместный анализ сигналов ЭМГ, ММГ и импеданса позволяет определить тип совершаемого действия. В результате работы алгоритма совместного анализа биосигналов вычисляются значения текущей степени действия и его тип, на основе которых формируются соответствующие команды управления на исполнительный блок.EMG and MMG signals carry information about the degree of muscle contraction, and a joint analysis of EMG, MMG and impedance signals makes it possible to determine the type of action performed. As a result of the operation of the algorithm for the joint analysis of biosignals, the values of the current degree of action and its type are calculated, on the basis of which the corresponding control commands to the executive unit are formed.

Пример 1. Управление экзоскелетомExample 1. Controlling an exoskeleton

Электродные системы (блоки регистрации биосигналов, фиг.1) размещаются в проекциях мышц-антагонистов. Оператор осуществляет естественные движения этими мышцами (например, сгибает-разгибает кисть). После вычисления степени сгибания кисти в блоке управления (10) блока реализации управляющих воздействий (фиг. 1), сигнал передается на исполнительный блок 12 (фиг. 1) - привод экзоскелета. Для управления разными типами движений, необходимо расположить по две пары электродных систем на соответствующие мышцы-антагонисты.Electrode systems (units for recording biosignals, figure 1) are placed in the projections of the antagonist muscles. The operator carries out natural movements of these muscles (for example, flexion-unbend the hand). After calculating the degree of flexion of the hand in the control unit (10) of the unit for implementing control actions (Fig. 1), the signal is transmitted to the executive unit 12 (Fig. 1) - the drive of the exoskeleton. To control different types of movements, it is necessary to place two pairs of electrode systems on the corresponding antagonist muscles.

Пример 2. Управление компьютером (например, громкостью звука)Example 2. Computer control (for example, sound volume)

Электродные системы (блоки регистрации биосигналов, фиг.1) размещаются в проекциях мышц-антагонистов (например, сгибателей-разгибателей кисти) на здоровой руке или на культе (если оператор-инвалид). Вычисленное значение текущей степени сгибания кисти в блоке управления (10) блока реализации управляющих воздействий (фиг. 1) передается на на исполнительный блок 12 (фиг. 1), который соединяется с компьютером по одному из стандартных интерфейсов (USB, последовательный порт, ИК-порт). Специализированное программное обеспечение компьютера принимает полученную информацию о степени сгибания кисти и устанавливает громкость звука, равную текущей степени сгибания кисти.Electrode systems (units for recording biosignals, Fig. 1) are placed in projections of antagonist muscles (for example, flexor-extensors of the hand) on a healthy arm or on a stump (if the operator is disabled). The calculated value of the current degree of flexion of the hand in the control unit (10) of the unit for implementing control actions (Fig. 1) is transmitted to the executive unit 12 (Fig. 1), which is connected to the computer via one of the standard interfaces (USB, serial port, IR port). Specialized computer software takes the received information about the degree of flexion of the hand and sets the sound volume equal to the current degree of flexion of the hand.

Claims (1)

Комплекс бионического управления техническими устройствами, содержащий последовательно подключенные друг к другу блок регистрации биосигналов и блок реализации управляющих воздействий, содержащий последовательно включенные блок управления и исполнительный блок, являющийся выходом комплекса, в котором блок регистрации биосигналов включает в себя источник тока, два выхода которого подключены соответственно к двум токовым электродам, два измерительных электрода подключены ко входам входного усилителя, выход которого является входом блоков обработки каналов электромиограммы (ЭМГ) и импеданса соответственно, отличающийся тем, что в блок регистрации биосигналов введен датчик механомиографического (ММГ) канала, питающийся от источника опорного напряжения, сигнал с которого подается на входной усилитель, выход которого подключен последовательно ко входу блока обработки ММГ, выходы блоков обработки каналов ЭМГ, импеданса и введенного ММГ подключены ко входу блока регистрации сигналов, при этом в блок реализации управляющих воздействий введен модем, выполненный с возможностью обмена данными с модемами, находящимися в блоках регистрации биосигналов.A complex for bionic control of technical devices, containing a biosignal recording unit and a unit for implementing control actions connected in series to each other, containing a sequentially connected control unit and an executive unit, which is the output of the complex, in which the biosignal recording unit includes a current source, two outputs of which are connected respectively to two current electrodes, two measuring electrodes are connected to the inputs of the input amplifier, the output of which is the input of the units for processing the electromyogram (EMG) and impedance channels, respectively, characterized in that a mechanomyographic (MMG) channel sensor is inserted into the biosignal recording unit, powered by a reference voltage source , the signal from which is fed to the input amplifier, the output of which is connected in series to the input of the MMG processing unit, the outputs of the processing units of the EMG, impedance and introduced MMG channels are connected to the input of the signal registration unit, while a modem is introduced into the block for implementing control actions, it is made with the possibility of exchanging data with modems located in the blocks for registering biosignals.
RU2020105312A 2020-02-05 2020-02-05 Complex for bionic control of technical devices RU2748428C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020105312A RU2748428C1 (en) 2020-02-05 2020-02-05 Complex for bionic control of technical devices

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020105312A RU2748428C1 (en) 2020-02-05 2020-02-05 Complex for bionic control of technical devices

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2748428C1 true RU2748428C1 (en) 2021-05-25

Family

ID=76033948

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020105312A RU2748428C1 (en) 2020-02-05 2020-02-05 Complex for bionic control of technical devices

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2748428C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2920087B1 (en) * 2007-08-24 2009-10-23 Univ Grenoble 1 DEVICE FOR PREVENTING URINARY LEAKS
US8376968B2 (en) * 2009-05-15 2013-02-19 The Hong Kong Polytechnic University Method and system for quantifying an intention of movement of a user
RU2627818C1 (en) * 2016-03-15 2017-08-11 Сергей Игоревич Щукин Method of bionic control of technical devices
US20190192371A1 (en) * 2016-12-22 2019-06-27 Rehab-Robotics Company Ltd. A Power Assistive Device For Hand Rehabilitation And A Method of Using The Same
DE102018205306B3 (en) * 2018-04-09 2019-07-18 Fachhochschule Lübeck Orthosis or prosthesis system and method for orthosis or prosthesis control or regulation

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2920087B1 (en) * 2007-08-24 2009-10-23 Univ Grenoble 1 DEVICE FOR PREVENTING URINARY LEAKS
US8376968B2 (en) * 2009-05-15 2013-02-19 The Hong Kong Polytechnic University Method and system for quantifying an intention of movement of a user
RU2627818C1 (en) * 2016-03-15 2017-08-11 Сергей Игоревич Щукин Method of bionic control of technical devices
US20190192371A1 (en) * 2016-12-22 2019-06-27 Rehab-Robotics Company Ltd. A Power Assistive Device For Hand Rehabilitation And A Method of Using The Same
DE102018205306B3 (en) * 2018-04-09 2019-07-18 Fachhochschule Lübeck Orthosis or prosthesis system and method for orthosis or prosthesis control or regulation

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Jamal Signal acquisition using surface EMG and circuit design considerations for robotic prosthesis
RU2627818C1 (en) Method of bionic control of technical devices
Fang et al. Multi-modal sensing techniques for interfacing hand prostheses: A review
Chen et al. Sonomyography (SMG) control for powered prosthetic hand: a study with normal subjects
CN111317600B (en) Artificial limb control method, device, system, equipment and storage medium
Crouch et al. Comparing surface and intramuscular electromyography for simultaneous and proportional control based on a musculoskeletal model: A pilot study
Al-Timemy et al. A preliminary investigation of the effect of force variation for myoelectric control of hand prosthesis
Kobelev et al. Anthropomorphic prosthesis control based on the electrical impedance signals analysis
Guzman et al. Very low power event-based surface EMG acquisition system with off-the-shelf components
Ryait et al. SEMG signal analysis at acupressure points for elbow movement
RU2673151C1 (en) Method of bionic control of technical devices
Yu et al. Development of Myoelectric Control Module for Prosthetic Hand with Artifact Removal during Sensory Electrical Stimulation.
Shalaby Development of an electromyography detection system for the control of functional electrical stimulation in neurological rehabilitation
RU2748428C1 (en) Complex for bionic control of technical devices
Briko et al. Effect of electrode pressure on neuromuscular signals during hand movements
Paleari et al. On optimal electrode configuration to estimate hand movements from forearm surface electromyography
Asres et al. A combination of AR and neural network technique for EMG pattern identification
Schill et al. Automatic adaptation of a self-adhesive multi-electrode array for active wrist joint stabilization in tetraplegic SCI individuals
Ali EMG signals detection technique in voluntary muscle movement
Mazumder et al. EMG Based Multichannel Human Computer Interface for Rehabilitation Training
RU2756162C1 (en) Method and complex for bionic control of technical apparatuses
Ryabchevsky et al. Development of human mashine interface for an electromyogram recorder
Avdeeva et al. Advantages of nanosensors in the development of interfaces for bioelectric prostheses
Doliwa et al. Development of an Analog Front-End for Brain-Computer Interfaces
Sunil et al. Myoelectric Control System Based on Wavelet Features