CN104546235A - 混合型假手 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种混合型假手，其借助来自sEMG信号的输入以及来自被截肢者的手肘和肩膀的机械控制来控制。该假手配备有机械手指，其由电机驱动，并借助微控制器控制。机械手指被设计成形成多种形状，并根据被截肢者的现实期望提供可变的力，这主要通过被截肢者的肩膀和/或手指的移动传递给假手。由肩膀或手肘发送给假手的机械手指的指令通过sEMG信号提供的指令而得以增强。

Description

混合型假手

技术领域

本发明所属的技术领域是假肢。具体地，本发明所属的技术领域是利用肩带和基于肌电图(EMG)的激活和控制功能的假手。

背景技术

当前关于经桡动脉截肢的统计资料表明上肢修复的需求量很大。人们已经对处理先进假肢的研究做了大量的努力。然而，直到目前，仍没有可用于模仿人手全部功能的假肢。存在许多类型的假手。在大多数情况下，使用肩带控制这些假手，肩带使操作者可以捕捉肩膀或手肘的运动，并将这些运动转化成钩或钳的机械开合，其中，钩或钳用于给被截肢者恢复一些能力。另一种类型的假手基于测量面肌电(sEMG)信号以驱使假肢。由于sEMG信号是空间分布的，所以sEMG探针会从其它源于不同肌肉群的运动单元拾取到信号。这一现象称为串扰，其是解析手/手指运动困难的主要原因。EMG信号由肌肉紧缩过程中若干运动单元的同时激发而产生。EMG信号在到达皮肤表面之前，穿过很多组织层，这导致信号获取中的噪声和干扰。sEMG信号的随机性增加了研究的复杂度。所有这些问题使得将sEMG信号的内容从噪声和干扰中区分出来相当的困难。

假肢一直以在灵巧度和适应能力方面匹配人手为目标而发展着。假手通常被设计成配备一个完成拾取和放置任务的灵巧操纵器，或者配备全机械设计，这种全机械设计使用身体的其他运动-通常是肩膀或手肘的运动-来创建假手的握紧动作。已经表明两种类型的假肢都可以给被截肢者恢复某些功能。在利用操纵器的拾取和放置设备中，假手看起来和感觉起来都像是人手，并能产生像人手一样的功能。然而，训练和适应这些假肢有点麻烦，而且通常被截肢者在仅仅两年时间内就将不再使用这种假肢。全机械设计的修复提供了鲁棒性的设计，将人手的功能简化到只具有夹物体能力的简单钩子的简易性。这些设计对于大多数被截肢者而言，已经成为次要的选择。

本申请中描述的发明是上述系统的混合版。它既有机械驱使功能，例如，典型的机械假肢拥有灵巧的操纵器，又有利用sEMG信号控制的驱使功能。本发明已经有能力控制两种驱使类型的手部运动。这使得被截肢者能够在利用sEMG信号驱使假肢时使用机械控制/驱使功能来帮助训练肌肉。它也使得被截肢者能够选择他或她为完成特定任务所期望的驱使类型（sEMG、机械的，或二者同时），从而使得系统适应用户。

发明内容

本发明涉及既能通过sEMG信号也能通过假手用户的相应肩膀和手肘的运动来控制假肢的运动集的混合型假手。

本发明的机械功能由耸肩运动、收紧或弯折手肘运动或者二者同时来控制。这些运动提供的力传递给使用鲍登线缆设计（Bowden cabledesign）的手。操作者随后可以选择对手的功能而言这种运动所做的动作，从而使得系统适应被截肢者的个人能力和期望的任务。

第二种控制假肢的类型通过使用sEMG信号来提供。在这种模式下，本发明使用分级控制结构，其中，sEMG信号的类别用于推断总的运动集，而sEMG信号运动以及sEMG信号力模型用于控制假肢各个关节的复杂动作。

控制假肢的第三种选择通过同时引起上述两种方式作为混合模式来提供，即，除了sEMG信号之外还使用肩带或肘带作为假肢的控制输入。

附图说明

图1是分级控制结构的示意图。

图2是分级控制器的上级控制视图。

图3是分级控制器的下级控制示意图。

图4是本发明的机械输入和功能的示意图。

图5是本发明某些先进能力的视图。

具体实施方式

基于sEMG的控制系统使用分级架构，其使用两种方式来推断假肢的预期动作。上级控制基于分类方案，其中，sEMG传感器信号集对用户预期的动作类型进行分类。利用这种信息，可以识别将被控制的关节和链接的集合。第二层是关节运动控制层。这一层的控制结构使各个关节的位置和运动直接受控于一组代表sEMG信号和关节运动之间关系的动态模型。第二组模型用于将预期的指尖力与所测量的sEMG信号关联起来。

参见图1中示出的本发明，分级控制架构的部件标记为1。系统包括面EMG传感器阵列2、放大滤波部3、上级控制系统4、下级控制系统5、激活块6和假手7。

现在更详细地参见图1中的本发明，其示出分级控制器1具有六个部分，即，面EMG传感器阵列2、放大滤波部3、上级控制系统4、下级控制系统5、激活块6和假手机构7。面EMG传感阵列2采集源自人肌肉活动的皮肤表面电势。传感器根据各个部分相对于肌肉所处的空间位置来组合信号。放大滤波部3通过使用陷波滤波器从所获得的信号中移除低频和高频组分来操作。此外，在该阶段3，执行sEMG信号的放大和整流。上级控制系统4负责额外的信号处理，以将滤波后的sEMG信号格式化为标准大小，这可以用于识别假手用户期望执行的动作类型。下级控制系统5界定假肢各个关节的实际运动。此外，下级控制系统5用于确定假手7产生的预期手指力。激活块6通过激活驱动关节以及产生扭矩和最终手指力的电机来执行关节运动和手指力指令。

进一步地，仍然参见图1的本发明，面EMG传感器阵列2被设计成能够相对于参考点测量皮肤上两点之间的电势，参考点通常设置在手肘的外部。两点的测量位于皮肤表面上负责一个手指或多个手指的特定运动的相应骨骼肌肉附近。放大滤波部3被设计成使用放大器电路和滤波电路。整流也利用放大器电路来实现。上级控制系统4和下级控制系统5嵌入到微控制器中。激活块6利用电机来构建，电机连线到假手7的各个关节。

现在参见图2，上级控制4由一组循序的进程来构建。从放大滤波部3获得的sEMG信号由信号处理阶段8来处理，并由信号映射阶段9来映射。经映射的信号交到使用分类表10的比较阶段11。然后，这用在运动集确定阶段12。

进一步地，仍然参见图2中的本发明，信号处理阶段8采用多个数学运算来分解经滤波、整流和放大的sEMG信号。该处理的输出随后在幅值上标准化。经标准化的信号随后由信号映射阶段9映射成手和手指运动的类别。信号映射阶段9的输出在比较阶段11与分类表10进行比较。基于比较结果11，确定运动集12。

进一步地，仍然参见图2中的本发明，上级控制4通过使用微控制器来实现。信号处理阶段8、信号映射阶段9、比较阶段11和运动集确定阶段12以方程形式程式化。分类表10以表格的形式存储在微控制器的存储器中。

现在参见图3，下级控制5由四个阶段组成，即，运动预期阶段14、模型映射阶段13和运动控制15以及力控制阶段16。

进一步地，仍然参见图3中的本发明，下级控制系统5利用从上级控制4获得的信息和所产生的运动确定集12来确定运动预期阶段14。该阶段14确定控制哪些关节和手指。该信息随后用在下级控制系统5的映射阶段13，以将运动和力映射到相应的等式。这些等式将所测量和处理8的sEMG信号与实际的手指运动和手指力之间的动态关系关联起来。手指/关节运动由运动控制阶段15来确定，而手指力由力控制阶段16确定。运动控制阶段15和力控制阶段16驱动激活块6的电机。

进一步地，仍然参见图3的本发明，下级控制5通过使用微控制器来实现。运动预期阶段14、模型映射阶段13、运动控制阶段15和力控制阶段16以方程形式程式化。

参见图4示出的本发明，假手7的机械控制21的主控制输入是肩膀运动25和手肘运动17。并入机械控制中的一些肩膀运动基于伸长动作18和收回动作19，其中，肩胛骨20沿着相反的方向移动。所产生的一些假手7的动作包括张开手22、拇指在上的合上手23和拇指在外的握紧24。图4细化了本发明7的机械手指28之一的图，其包括拉紧26和放松27线缆。

进一步地，仍然参见图4的本发明，假手7的机械控制21基于当旋转手肘17时产生的运动。该运动借助双线缆26和27转移到假手7。这些线缆产生推拉效应，使得线缆26和27之一独立于手肘17的旋转而被拉紧。当手肘17沿着一个方向旋转时，线缆26拉紧，线缆27放松。当手肘17沿着相反方向旋转时，线缆27拉紧，线缆26放松。利用肩膀运动25可以实现本发明假手7的不同运动集的类似控制。当被截肢者移动肩膀20时，该动作被肩带29捕获，并被转换成鲍登线缆26、27的张力。所产生的力随后基于操作者的输入转换成假手7中所设计的动作。例如，操作者能够通过移动肩膀从张开手22变成拇指向上的合上手23。假手的所有简单动作都能通过三种输入方法的组合来创建，即，肩膀运动、手肘旋转和sEMG信号。

现在参见图5，描述假手7的两个特定运动。描述侧向运动30和轻工具运动31。工具运动的示例性物体是小的圆柱体32。

进一步地，仍然参见图5的本发明，第一个运动，侧向运动30利用由分级控制器1和机械控制器21组成的混合型控制来实现。按照相同的方式，也使用分级控制器1和机械控制器21实现轻工具运动31。

尽管本发明的前述说明书能使普通技术人员制造和使用当前被视为的最佳实施例，但是，普通技术人员应该理解和认识到本发明的具体实施例、方法和示例的变形、组合和等同物。因此，本发明不应该局限于上述实施例、方法和示例，相反，本发明由请求的本发明的范围和精神内的所有实施例和方法所限定。

Claims (6)

1.一种用于被截肢者的混合型假手，包括：

EMG传感器阵列，所述EMG传感器阵列被配置成借助sEMG信号捕获数据；

微控制器；

机械控制器；

分级控制器；

至少一个拉紧线缆；

至少一个放松线缆；

至少一个鲍登线缆；

至少一个电机；

肩带，其中，所述肩带与所述被截肢者关联；

其中，所述机械控制器被配置成从所述肩带接收输入；

其中，所述微控制器被配置成将来自所述EMG传感器阵列的所述数据转换成用于所述分级控制器的指令；

其中，一旦所述被截肢者的手肘移动，所述至少一个拉紧线缆就收紧；

机械手指，其中，当由所述分级控制器给出指令时，所述机械手指由所述鲍登线缆借助所述至少一个电机来移动；

其中，当由所述机械控制器给出指令时，所述机械手指由所述鲍登线缆借助所述被截肢者的肩膀来移动；以及

其中，所述机械手指的所有运动都借助选自以下方法的三种输入方法来实现：肩膀的运动、手肘的旋转、sEMG信号。

2.如权利要求1所述的用于被截肢者的混合型假手，其中，所述肩带与所述被截肢者的肩膀相关联。

3.如权利要求1所述的用于被截肢者的混合型假手，其中，所述肩带与所述被截肢者的手肘相关联。

4.如权利要求1所述的用于被截肢者的混合型假手，其中，所述至少一个电机与所述机械手指相关联。

5.如权利要求1所述的用于被截肢者的混合型假手，进一步包括：

运动预期阶段；

模型映射阶段；

运动控制阶段；

力控制阶段；

其中，所述运动预期阶段、所述模型映射阶段、所述运动控制阶段和所述力控制阶段由所述微处理器管理；

其中，所述运动控制阶段和所述力控制阶段被配置成确定所述机械手指移动的程度；以及

其中，所述运动控制阶段和所述力控制阶段被配置成确定施加给所述机械手指的力的程度。

6.如权利要求5所述的用于被截肢者的混合型假手，其中，所述肩带和所述机械手指的侧向移动借助来自所述分级控制器和所述机械控制器的指令来实现。