CN104586608B - 基于肌电控制的可穿戴式助力手指及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于肌电控制的可穿戴式助力手指，包括欠驱动仿人手指、磁耦合接口、康复助力连接器、肌电采集阵列、伺服电机以及控制系统；欠驱动仿人手指采用驱动连杆驱动和驱动腱驱动混合驱动的方式，充分实现活动患者手指关节的需求。同时提供了上述基于肌电控制的可穿戴式助力手指的控制方法。本发明结构简单，重量轻，可靠性好。力传感器和位置传感器连接在驱动腱上，通过驱动腱的伸缩获得驱动手指运动所需的力和位置，为康复进程提供量化参考。本发明具有机械结构简单，成本低，操作，穿戴方便，便携性，人机交互性能好，可有效克服肌肉和关节刚度带来的阻碍，使患者获得有效的康复治疗，在手指康复等领域具有较好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及手指康复领域的助力机器人，具体是一种具备康复和助力两种特性的基于肌电控制的可穿戴式助力手指及其控制方法。
背景技术
据统计，中风在全世界范围内每年造成数百万人死亡，而且在未来几十年还会有加重的趋势，因而中风的预防和治疗深切影响着人们的生活质量水平。在大多数情况下，中风症状只影响身体一侧，及时的发现和合理的治疗是患者康复的重要保障。对于大多数中风病人，物理治疗(PT)和职能治疗(OT)是康复过程的基石。通常中风康复应尽可能立即开始，持续时间由数天至一年以上。大部分的功能恢复是在头几天和几周内，合理的运动训练治疗是关键。传统的康复训练由康复理疗师来完成，工作单调，持续时间长，另外一些传统康复设备无法使患者实时获得康复的效果，且缺乏便携性，只能固定在特定场合如医院等，会对医疗成本和患者的康复过程产生额外负担。
手作为人最灵巧的功能单元，其康复治疗对恢复正常大脑控制功能起着重要作用，单纯依赖患者自己的康复运动难以起到快速康复的效果，在某些情况下需要理疗师协助康复训练。为了使患者积极进行康复训练，并能正常发挥双手功能，同时减轻理疗师的工作负担，提高康复效率，使患者和理疗师都能实时掌握康复进度，快速恢复正常的身体功能，基于生物反馈的智能化可穿戴式康复机器人可有效解决这一问题
经过对现有技术文献查询：
美国发明专利公开号：US20120059290A1，名称：手指康复可穿戴设备。
通过电活性聚合物来协助手指肌肉的运动，机械设计结构简单，重量轻，穿戴方便，控制系统简单，患者手部负载小，但是该系统缺少生物反馈功能，无法实时获得康复效果。同时该结构设计负载能力差，不利于双手协调共同完成日常任务。
中国发明专利公开号：一种微智能外骨骼手指康复机器人。该康复机器人采用四指结构设计，每个手指有2个自由度，通过一个电机驱动，但是人手指的康复是通过五个手指的运动提供，因而该设计缺少康复必须的机械结构，同时缺少助力功能，会加重手的负担，很难满足助力，完成作业的功能。另外，还缺少必须的佩戴接口，兼容性不足。
发明内容
本发明针对现有技术上的不足，提供一种基于肌电控制的可穿戴式助力手指及其控制方法，该助力手指基于生物反馈协作，应用于康复训练。
本发明是通过以下技术方案实现的。
根据本发明的一个方面，提供了一种基于肌电控制的可穿戴式助力手指，包括欠驱动仿人手指6、磁耦合接口、康复助力连接器1、肌电采集阵列、伺服电机以及控制系统5；其中：
所述康复助力连接器1包括一体连接的助力板f10和手掌接触面f11，所述欠驱动仿人手指6设置与手掌接触面f11的自由端端部，所述伺服电机和控制系统5分别设置于助力板f10上；所述手掌接触面f11与欠驱动仿人手指6之间设有用于患者配戴的磁耦合接口，所述肌电采集阵列用于采集肌电信号，并与控制系统5通信连接，所述控制系统5与伺服电机控制连接；
所述欠驱动仿人手指6采用驱动腱和驱动连杆与伺服电机驱动连接；
所述伺服电机包括第一伺服电机2、第二伺服电机3和第三伺服电机4；
所述欠驱动仿人手指6包括拇指和四指，其中，所述拇指与第一伺服电机2和第二伺服电机3驱动连接，形成差动传动结构；所述四指与第三伺服电机4驱动连接。
优选地，所述拇指包括第一拇指关节连杆x6、第二拇指关节连杆x7、第一锥齿轮x1、第二锥齿轮x2、第三锥齿轮x3、第一拇指驱动连杆x4和第二拇指驱动连杆x5，其中，所述第一拇指关节连杆x6和第二拇指关节连杆x7串联连接，并分别通过第一拇指驱动连杆x4和第二拇指驱动连杆x5与第一伺服电机2和第二伺服电机3相连接，所述第一锥齿轮x1、第二锥齿轮x2和第三锥齿轮x3形成差动锥齿轮传动机构，所述第三锥齿轮x3上依次连接有第一拇指关节连杆x6和第二拇指关节连杆x7，所述第一拇指关节连杆x6和第二拇指关节连杆x7通过第一拇指驱动连杆x4和第二拇指驱动连杆x5实现拇指的弯曲和伸展两个自由度；所述第一拇指关节连杆x6通过第一锥齿轮x1、第二锥齿轮x2和第三锥齿轮x3的传动转向控制内收和弯曲两个自由度。
优选地，所述第一拇指关节连杆x6、第二拇指关节连杆x7、第一拇指驱动连杆x4和第二拇指驱动连杆x5形成双摇杆结构。
优选地，所述四指包括四根连杆结构和驱动腱a1，其中，每一根连杆结构均包括：第一四指关节连杆a3、第二四指关节连杆a9、第三四指关节连杆a8、第一四指驱动连杆a2、第二四指驱动连杆(包括第二四指驱动连杆Ia4和第二四指驱动连杆IIa5)和第三四指驱动连杆(第三四指驱动连杆Ia6和第三四指驱动连杆IIa7)，所述第一四指关节连杆a3、第二四指关节连杆a9和第三四指关节连杆a8依次串联连接，并分别通过第一四指驱动连杆a2、第二四指驱动连杆、第三四指驱动连杆以及驱动腱a1与第三伺服电机4驱动连接；所述驱动腱a1通过第一四指驱动连杆a2驱动第一四指关节连杆a3，形成曲柄摇杆机构；所述第一四指关节连杆a3上连接有用于驱动第二四指关节连杆a9的第二四指驱动连杆，形成双摇杆机构；所述第三四指驱动连杆用于驱动第三四指关节连杆a8运动，曲柄摇杆机构、双摇杆机构、第三四指关节连杆a8和第三四指驱动连杆串联形成四指的欠驱动机构；
所述第三伺服电机4的转轴上连接有码盘和减速器，所述减速器设有滑轮结构，所述滑轮结构与曲柄摇杆机构驱动连接；
所述驱动腱上连接有力传感器p16和位置传感器，力传感器p16和位置传感器分别通过驱动腱的伸缩获得欠驱动仿人手指6运动所需的力和位置，为康复进程提供量化参考。
优选地，所述驱动腱a1包括第一丝杠p1、第二丝杠p2、第三丝杠p3、第四丝杠p4、第一滑轮p5、第二滑轮p6、第三滑轮p7、第四滑轮p8、第五滑轮p12、第六滑轮p13、第七滑轮p14、第一柔性绳p9、第二柔性绳p10和第三柔性绳p11，其中，所述第一丝杠p1、第二丝杠p2、第三丝杠p3和第四丝杠p4分别与四根连杆机构的第一四指驱动连杆a2相连接，所述第一滑轮p5、第二滑轮p6、第三滑轮p7和第四滑轮p8分别与第一丝杠p1、第二丝杠p2、第三丝杠p3和第四丝杠p4相连接，所述第一柔性绳p9通过第一滑轮p5和第二滑轮p6的中心与第五滑轮p12连接，所述第二柔性绳p10通过第三滑轮p7和第四滑轮p8的中心与第六滑轮p13连接，所述第三柔性绳p11通过第五滑轮p12和第六滑轮p13的中心与第七滑轮p14连接，所述力传感器p16通过第四柔性绳p15连接于第七滑轮p14上。
优选地，所述第一滑轮p5、第二滑轮p6、第三滑轮p7、第四滑轮p8、第五滑轮p12、第六滑轮p13和第七滑轮p14形成差动滑轮机构，实现四指的欠握紧和伸展运动。
优选地，所述康复助力连接器1设有拇指和四指连接接口；
所述助力板f10上还设有用于接收肌电信号的无线数据发送接收器；
所述助力板f10设有用于固定的尼龙绷带。
优选地，所述磁耦合接口包括永磁端n1和患者手指接入端n2，所述永磁端n1与欠驱动仿人手指的关节连杆连接，所述患者手指接入端n2通过可伸缩性橡胶套与患者手指连接。
优选地，所述欠驱动仿人手指的拇指和四指上均设有磁耦合接入口m1、相邻手指关节连杆接口(前手指关节连杆接口m3和后手指关节连杆接口m4)和驱动连杆接口m5。
优选地，所述驱动连杆上设有相邻驱动连杆连接口(包括驱动连杆接口aL1和驱动连杆接口bL2)、关节连杆连接口L3和手指连杆运动调整腔(包括手指连杆运动调整腔a L4和手指连杆运动调整腔b L5)。
优选地，所述控制系统包括康复策略控制端，所述康复策略控制端分别与肌电采集阵列、力传感器、位置控制器和伺服电机控制连接。
优选地，还包括可视化人机交互系统，所述人机交互系统与康复策略控制端交互连接。
根据本发明的第二个方面，提供了一种可穿戴式助力手指的控制方法，通过肌电采集阵列采集肌电信号，并传输至控制系统控制伺服电机驱动欠驱动仿人手指协助需要康复的手指运动；
包括如下任一种或任多种控制模式：
-模式识别，通过健康手臂和/或手指获得肌电信号，经过手势识别，将手势信息发送至康复策略控制端转化为伺服电机的控制信号，获得手指的康复运动；
-连续运动估计，通过健康手指的连续运动估计，实时传给康复策略控制端控制伺服电机驱动，使助力手指实时跟踪健康手指的运动，从而根据需要调整康复运动力度、幅度参数；
-阻抗控制，从健康手指运动的肌电信号中提取阻抗信息，通过康复策略控制端，实现助力手指的阻抗控制，用于完成与环境之间的交互作业，从而使康复训练转化为实际的生活能力。
优选地，所述模式识别中，运动过程产生的位置和力信息实时反馈给可视化人机交互系统，通过调整康复运动控制策略获得康复效果。
本发明的工作原理为：
由健康手臂/手指运动产生的肌电信号控制助力手指，进而带动需要康复训练的运动功能受损手的运动。佩戴于健康手臂的肌电采集阵列获取的肌电信号经过信号处理产生运动控制信号，康复训练手采集的肌电信号通过信号处理进行功能恢复诊断；
通过康复训练，功能受损的手恢复一定功能后，由助力手指自主进行康复，此时功能受损的手由微小运动趋势产生的肌电信号通过检测、放大和信号处理后产生作为助力手指的控制信号，由助力手指带动功能受损的手进行康复运动。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、欠驱动机构中，当第一四指关节连杆a3无法运动时，第二四指关节连杆a9和第三四指关节连杆a8仍可正常运动，以此类推，第三四指关节连杆a8可以在第一四指关节连杆和第二四指关节连杆停止运动时仍实现运动，欠驱动机构的设计可以充分实现活动患者手指关节的需求。
2、磁耦合接口的永磁端通过磁耦合接入口实现和手指关节连杆的连接，根据受力方向的特征，可实现患者手指和助力手指的可靠连接；患者手指接入端通过可伸缩性的橡胶套连接，以适应不同患者的手指几何形状差异。
3、控制系统、伺服电机、无线数据发送接收器固定在助力板上，以减少手部的负荷；无线数据发送接收器支持蓝牙和WIFI通信，已达到便携性的要求。
4、差动滑轮机构，可以实现手指的欠握紧和伸展运动。
5、手指运动调整腔，用于调整手指运动的速度和幅度，实现更为理想的运动效果。
6、运动中产生的位置和力信息实时反馈给可视化的康复交互界面，通过调整康复运动控制策略获得较为理想的康复训练效果。
7、基于肌电的阻抗控制，使康复训练转化为实际的日常生活任务，有效利用康复时间和改善单调的康复任务，获得良好的康复训练品质。
8、采用驱动连杆和驱动腱混合驱动的方式，使助力手指结构简单、重量轻，可靠性好；力传感器和位置传感器连接在驱动腱上，通过驱动腱的伸缩获得驱动手指运动所需的力和位置，为康复进程提供量化参考。
9、本发明具有机械结构简单、成本低、操作穿戴方便、便携性高、人机交互性能好的特点，可有效克服肌肉和关节刚度带来的阻碍，使患者获得有效的康复治疗，在手指康复等领域具有较好的应用前景。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明基于肌电控制的可穿戴式助力手指整体结构图；
图2为四指的单根连杆结构示意图；
图3为驱动腱布线图；
图4为拇指结构示意图；
图5为欠驱动仿人手指关节结构图；
图6为磁耦合接口结构示意图；
图7为驱动连杆结构示意图；
图8为康复助力连接器结构示意图；
图9为模式识别康复策略图；
图10为连续运动估计康复策略图；
图11为阻抗控制康复策略图；
图12为模式识别控制模式流程图；
图13为连续运动估计控制模式流程图。
图中：1为康复助力连接器，2为第一伺服电机，3为第二伺服电机，4为第三伺服电机，5为控制系统，6为欠驱动仿人手指，a1为驱动腱，a2为第一四指驱动连杆，a3为第一四指关节连杆，a4为第二四指驱动连杆I，a5为第二四指驱动连杆II，a6为第三四指驱动连杆I，a7第三四指驱动连杆II，a8为第三四指关节连杆，a9第二四指关节连杆，p1为第一丝杠，p2为第二丝杠，p3为第三丝杠，p4为第四丝杠，p5为第一滑轮，p6为第二滑轮，p7为第三滑轮，p8为第四滑轮，p9为第一柔性绳，p10为第二柔性绳，p11为第三柔性绳，p12为第五滑轮，p13为第六滑轮，p14为第七滑轮，p15为第四柔性绳，p16为力传感器，x1为第一锥齿轮，x2为第二锥齿轮，x3为第三锥齿轮，x4为第一拇指驱动连杆，x5为第二拇指驱动连杆，x6为第一拇指关节连杆，x7为第二拇指关节连杆，m1为磁耦合接入口，m2为磁耦合接入端，m3为前手指关节连杆接口，m4为后手指关节连杆接口，m5为驱动连杆接口，n1为永磁端，n2为患者手指接入端，L1为驱动连杆接口a，L2为驱动连杆接口b，L3为关节连杆连接口，L4手指连杆运动调整腔a，L5手指连杆运动调整腔b，f1第一手指连接接口，f2第二手指连接接口，f3第三手指连接接口，f4第四手指连接接口，f5拇指手指连接接口，f6为第一无线数据发送接收器，f7为第二无线数据发送接收器，f8为第三无线数据发送接收器，f9为第四无线数据发送接收器，f10为助力板，f11为手掌接触面。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
本实施例提供了一种基于肌电控制的可穿戴式助力手指，包括欠驱动仿人手指6、磁耦合接口、康复助力连接器1、肌电采集阵列、伺服电机以及控制系统5；其中：
所述康复助力连接器1包括一体连接的助力板f10和手掌接触面f11，所述欠驱动仿人手指6设置与手掌接触面f11的自由端端部，所述伺服电机和控制系统5分别设置于助力板f10上；所述手掌接触面f11与欠驱动仿人手指6之间设有用于患者配戴的磁耦合接口，所述肌电采集阵列用于采集肌电信号，并与控制系统5通信连接，所述控制系统5与伺服电机控制连接；
所述欠驱动仿人手指6采用驱动腱和驱动连杆与伺服电机驱动连接；
所述伺服电机包括第一伺服电机2、第二伺服电机3和第三伺服电机4；
所述欠驱动仿人手指6包括拇指和四指，其中，所述拇指与第一伺服电机2和第二伺服电机3驱动连接，形成差动传动结构；所述四指与第三伺服电机4驱动连接；
所述驱动腱上连接有力传感器p16和位置传感器，力传感器p16和位置传感器分别通过驱动腱的伸缩获得欠驱动仿人手指6运动所需的力和位置，为康复进程提供量化参考。
进一步地，所述拇指包括第一拇指关节连杆x6、第二拇指关节连杆x7、第一锥齿轮x1、第二锥齿轮x2、第三锥齿轮x3、第一拇指驱动连杆x4和第二拇指驱动连杆x5，其中，所述第一拇指关节连杆x6和第二拇指关节连杆x7串联连接，并分别通过第一拇指驱动连杆x4和第二拇指驱动连杆x5与第一伺服电机2和第二伺服电机3相连接，所述第一锥齿轮x1、第二锥齿轮x2和第三锥齿轮x3形成差动锥齿轮传动机构，所述第三锥齿轮x3上依次连接有第一拇指关节连杆x6和第二拇指关节连杆x7，所述第一拇指关节连杆x6和第二拇指关节连杆x7通过第一拇指驱动连杆x4和第二拇指驱动连杆x5实现拇指的弯曲和伸展两个自由度；所述第一拇指关节连杆x6通过第一锥齿轮x1、第二锥齿轮x2和第三锥齿轮x3的传动转向控制内收和弯曲两个自由度。
进一步地，所述第一拇指关节连杆x6、第二拇指关节连杆x7、第一拇指驱动连杆x4和第二拇指驱动连杆x5形成双摇杆结构。
进一步地，所述四指包括四根连杆结构和驱动腱a1，其中，每一根连杆结构均包括：第一四指关节连杆a3、第二四指关节连杆a9、第三四指关节连杆a8、第一四指驱动连杆a2、第二四指驱动连杆(包括第二四指驱动连杆Ia4和第二四指驱动连杆IIa5)和第三四指驱动连杆(第三四指驱动连杆Ia6和第三四指驱动连杆IIa7)，所述第一四指关节连杆a3、第二四指关节连杆a9和第三四指关节连杆a8依次串联连接，并分别通过第一四指驱动连杆a2、第二四指驱动连杆、第三四指驱动连杆以及驱动腱a1与第三伺服电机4驱动连接；所述驱动腱a1通过第一四指驱动连杆a2驱动第一四指关节连杆a3，形成曲柄摇杆机构；所述第一四指关节连杆a3上连接有用于驱动第二四指关节连杆a9的第二四指驱动连杆，形成双摇杆机构；所述第三四指驱动连杆用于驱动第三四指关节连杆a8运动，曲柄摇杆机构、双摇杆机构、第三四指关节连杆a8和第三四指驱动连杆串联形成四指的欠驱动机构；
所述第三伺服电机4的转轴上连接有码盘和减速器，所述减速器设有滑轮结构，所述滑轮结构与曲柄摇杆机构驱动连接。
进一步地，所述驱动腱a1包括第一丝杠p1、第二丝杠p2、第三丝杠p3、第四丝杠p4、第一滑轮p5、第二滑轮p6、第三滑轮p7、第四滑轮p8、第五滑轮p12、第六滑轮p13、第七滑轮p14、第一柔性绳p9、第二柔性绳p10和第三柔性绳p11，其中，所述第一丝杠p1、第二丝杠p2、第三丝杠p3和第四丝杠p4分别与四根连杆机构的第一四指驱动连杆a2相连接，所述第一滑轮p5、第二滑轮p6、第三滑轮p7和第四滑轮p8分别与第一丝杠p1、第二丝杠p2、第三丝杠p3和第四丝杠p4相连接，所述第一柔性绳p9通过第一滑轮p5和第二滑轮p6的中心与第五滑轮p12连接，所述第二柔性绳p10通过第三滑轮p7和第四滑轮p8的中心与第六滑轮p13连接，所述第三柔性绳p11通过第五滑轮p12和第六滑轮p13的中心与第七滑轮p14连接，所述力传感器p16通过第四柔性绳p15连接于第七滑轮p14上。
进一步地，所述第一滑轮p5、第二滑轮p6、第三滑轮p7、第四滑轮p8、第五滑轮p12、第六滑轮p13和第七滑轮p14形成差动滑轮机构，实现四指的欠握紧和伸展运动。
进一步地，所述康复助力连接器1设有拇指和四指连接接口；
所述助力板f10上还设有用于接收肌电信号的无线数据发送接收器；
所述助力板f10设有用于固定的尼龙绷带。
进一步地，所述磁耦合接口包括永磁端n1和患者手指接入端n2，所述永磁端n1与欠驱动仿人手指的关节连杆连接，所述患者手指接入端n2通过可伸缩性橡胶套与患者手指连接。
进一步地，所述欠驱动仿人手指的拇指和四指上均设有磁耦合接入口m1、相邻手指关节连杆接口(前手指关节连杆接口m3和后手指关节连杆接口m4)和驱动连杆接口m5。
进一步地，所述驱动连杆上设有相邻驱动连杆连接口(包括驱动连杆接口aL1和驱动连杆接口bL2)、关节连杆连接口L3和手指连杆运动调整腔(包括手指连杆运动调整腔aL4和手指连杆运动调整腔b L5)。
进一步地，所述控制系统包括康复策略控制端，所述康复策略控制端分别与肌电采集阵列、力传感器、位置控制器和伺服电机控制连接。
进一步地，还包括可视化人机交互系统，所述人机交互系统与康复策略控制端交互连接。
在本实施例中：
欠驱动仿人手指包括五指，即拇指和其余四指，各个手指的运动采用驱动连杆驱动和驱动腱驱动混合驱动方式，其中四指采用一个伺服电机驱动，拇指由两个伺服电机驱动，形成采用差动传动机构。
拇指包括两个关节连杆串联连接，可以单独驱动；四指中的每一指均包括三个关节连杆串联连接。每个关节连杆都有驱动连杆进行驱动，关节连杆和驱动连杆之间构成四杆机构，且为双摇杆结构。
拇指第一拇指关节连杆有两个自由度，采用一组差动锥齿轮机构传动，通过第一锥齿轮x1、第二锥齿轮x2、第三锥齿轮x3的转向控制第一拇指关节连杆内收和弯曲运动。第三锥齿轮x3上连接有第一拇指关节连杆x6和第二拇指关节连杆x7通过第一拇指驱动连杆x4和第二拇指驱连杆x5实现拇指两个自由度弯曲和伸展。
关于四指的驱动腱驱动，以其中一指为例进行详述：驱动腱a1的第一丝杆p1通过第一四指驱动连杆a2驱动第一四指关节连杆a3，形成曲柄摇杆机构。第一四指关节连杆a3上连有驱动第二四指关节连杆a9的第二四指驱动连杆Ia5和第二四指驱动连杆IIa6，构成双摇杆机构。驱动第三四指关节连杆a8运动的第三四指驱动连杆由第三四指驱动连杆Ia6和第三四指驱动连杆IIa7组成。以上关节连杆和驱动连杆串联形成手指的欠驱动机构，第一四指关节连杆a3无法运动时，第二四指关节连杆a9和第三四指关节连杆a8仍可正常运动，以此类推，第三四指关节连杆a8可以在前两个四指关节连杆停止运动时仍实现运动，因而该设计可以充分实现活动患者手指关节的需求。
驱动四个手指的与驱动连杆连接的伺服电机链接码盘和减速器，减速器连接有滑轮机构，滑轮机构和曲柄机构相连。
如图4所示，磁耦合接口包括：永磁端n1通过手指关节接口m1实现和手指关节的连接，根据受力方向的特征，可实现患者手指和康复机械手的可靠连接。磁耦合接头的n2端为患者手指接入端，通过可伸缩性的橡胶套连接，以适应不同患者的手指几何差异。
所述伺服电机及控制系统和无线数据发送接收端器固定在助力板f10上，以减少手部的负荷。无线数据发送接收器支持蓝牙和WIFI通信，已达到便携性的要求。
驱动腱的四个丝杠p1、p2、p3、p4分别和四个滑轮p5、p6、p7、p8连接，第一柔性绳p9通过滑轮p5、p6的中心和滑轮p12连接，滑轮p7、p8通过第二柔性绳p10和滑轮p13连接，滑轮p12、p13通过第三柔性绳p11和滑轮p14连接，滑轮p14通过连接于中心处的第四柔性绳p15连接力传感器p16。该滑轮组机构为差动机构，可以实现手指的欠握紧和伸展运动。
康复助力连接器1，其手掌接触面f11上设有五指连接接口f1、f2、f3、f4、f5，伺服电机及控制系统、无线数据发送接收器f6、f7、f8、f9分别设置于助力板f10上，助力板f10通过尼龙绷带连接于患者前臂。
五指上分别设有的磁耦合接入口m1和接入端m2，与前后手指关节接口m3和m4及驱动连杆接口m5。
手指的驱动连杆如图7所示，与其他驱动连杆连接的驱动连杆连接口L1和L2，与关节连扳连接的关节连扳连接口L3，及手指运动调整腔L4和L5，用于调整手指运动的速度和幅度。
本实施例提供的基于肌电控制的可穿戴式助力手指，其控制方法，通过肌电采集阵列采集肌电信号，并传输至控制系统控制伺服电机驱动欠驱动仿人手指协助需要康复的手指运动；
包括如下任一种或任多种控制模式：
-模式识别，通过健康手臂和/或手指获得肌电信号，经过手势识别，将手势信息发送至康复策略控制端转化为伺服电机的控制信号，获得手指的康复运动；
-连续运动估计，通过健康手指的连续运动估计，实时传给康复策略控制端控制伺服电机驱动，使助力手指实时跟踪健康手指的运动，从而根据需要调整康复运动力度、幅度参数；
-阻抗控制，从健康手指运动的肌电信号中提取阻抗信息，通过康复策略控制端，实现助力手指的阻抗控制，用于完成与环境之间的交互作业，从而使康复训练转化为实际的生活能力。
优选地，所述模式识别中，运动过程产生的位置和力信息实时反馈给可视化人机交互系统，通过调整康复运动控制策略获得康复效果。
具体为：
上述控制方法基于生物肌电反馈控制策略，通过肌电采集阵列采集到的肌电信号经过多方式处理，获取不同的电机控制策略，对应于不同的康复训练系统。
肌电采集阵列佩戴于健康手臂的前臂，通过患者的健康手臂协助需要康复的手指运动，其控制模式主要有以下三种模式：
---基于模式识别：肌电信号信号通过测量患者健康的手指运动的肌肉活性获得，发送至计算机端，经过手势的模式识别，获得健康手势信息，这些信息发送至康复策略控制端转化为电机的控制信号，产生助力机械手的运动，运动中产生的位置和力信息实时反馈给可视化的康复交互界面，通过调整康复运动控制策略获得较为理想的康复训练效果。
---基于连续运动估计：通过健康手指的连续运动估计，实时传给电机控制器，使康复手实时跟踪健康手的运动，从而实现患者双手同步运动，并且可使患者根据需要调整康复力度，运动幅度等。
----基于肌电阻抗控制：从患者健康手指运动的肌电信号中提取阻抗信息，通过驱动手指运动的电机阻抗控制界面，实现康复机械手的阻抗控制，以协助患者完成需要与环境交互的作业，从而使康复训练转化为实际的日常生活任务，有效利用康复时间和改善单调的康复任务，获得良好的康复训练品质。
上述控制模式的控制算法为：
(1)模式识别，通过肌电信号的手势识别，获得患者健康手部姿势，作为机械手指的控制信号，实现简单的开关操作，如开合，俯仰等动作。其控制模型原理如图12所示。
图中，信号分割方法是，检测到的肌电信号分成200ms长度的叠窗，递增长度为50ms；特征提取采用时域自回归特征模型参数，或者波长WL(Waveform Length)、平均绝对值MAV(Mean Absolute Value)等特征。特征降维采用主成分分析法PCA(PrincipalComponent Analysis)，分类算法采用线性判别分析法LDA(Linear DiscriminativeAnalysis)。
(2)连续运动估计(位置控制)，该模式基于肌电信号的连续运动估计，其模型基于关节的运动角度和肌电信号近似线性关系。估计流程如图13所示，图中公式依次为：
结合图13，公式中的N代表一帧中的采样点数，t表示在第t采样点，k表示第k个平均帧。表示关节运动极限位置，i表示关节类别，j表示相应的关节运动类别，t1为加窗时间间隔，t0为计算起始时间。
(3)阻抗控制(力控制)，力控制常用的描述肌肉-力关系的Hill模型。采用力估计算法如下：
其中，
Ft：肌腱产生的力；
a(t)：肌肉驱动量；
Fmax：肌肉等长收缩最大力；
FA(lm)：主动力和肌肉关系；
：肌肉-速度关系；
φ：肌腱和肌肉纤维夹角；
FA：主动力；
lm：肌肉伸长；
FV：肌肉；
：肌肉运动速度；
：被动力-肌肉长度关系；
：被动力。
本实施例提供的的基于肌电控制的可穿戴式助力手指及其控制方法，应用于运动功能康复，考虑到大多数康复患者仅半身运动功能受损，本实施例的设计适用于为单手佩戴。肌电采集阵列穿戴于使用助力机器手的前臂，以及另一个健康的前臂上，通过实时采集健康的手运动所产生的肌电信号，经过无线蓝牙发送到计算机，经过运动意图识别使需要训练的手做出相应的动作。仿人康复机械手指采用连杆驱动和腱驱动混合驱动的方式，是康复手指结构简单，重量轻，可靠性好。力传感器和位置传感器连接在驱动腱上，通过驱动腱的伸缩获得驱动手指运动所需的力和位置，为康复进程提供量化参考。该康复手指机器人具有机械结构简单，成本低，操作，穿戴方便，便携性，人机交互性能好，可有效克服肌肉和关节刚度带来的阻碍，使患者获得有效的康复治疗，在手指康复等领域具有较好的应用前景。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (9)
1.一种基于肌电控制的可穿戴式助力手指，其特征在于，包括欠驱动仿人手指、磁耦合接口、康复助力连接器、肌电采集阵列、伺服电机以及控制系统；其中：
所述康复助力连接器包括一体连接的助力板和手掌接触面，所述欠驱动仿人手指设置与手掌接触面的自由端端部，所述伺服电机和控制系统设置于助力板上；所述手掌接触面与欠驱动仿人手指之间设有用于患者配戴的磁耦合接口，所述肌电采集阵列用于采集肌电信号，并与控制系统通信连接，所述控制系统与伺服电机控制连接；
所述欠驱动仿人手指采用驱动腱和驱动连杆与伺服电机驱动连接；
所述伺服电机包括第一伺服电机、第二伺服电机和第三伺服电机；
所述欠驱动仿人手指包括拇指和四指，其中，所述拇指与第一伺服电机和第二伺服电机驱动连接，形成差动传动结构；所述四指与第三伺服电机驱动连接；
所述拇指包括第一拇指关节连杆、第二拇指关节连杆、第一锥齿轮、第二锥齿轮、第三锥齿轮、第一拇指驱动连杆和第二拇指驱动连杆，其中，所述第一拇指关节连杆和第二拇指关节连杆串联连接，并分别通过第一拇指驱动连杆和第二拇指驱动连杆与第一伺服电机和第二伺服电机相连接，所述第一锥齿轮、第二锥齿轮和第三锥齿轮形成差动锥齿轮传动机构，所述第三锥齿轮上依次连接有第一拇指关节连杆和第二拇指关节连杆，所述第一拇指关节连杆和第二拇指关节连杆通过第一拇指驱动连杆和第二拇指驱动连杆实现拇指的弯曲和伸展两个自由度；所述第一拇指关节连杆通过第一锥齿轮、第二锥齿轮和第三锥齿轮的传动转向控制内收和弯曲两个自由度；
所述第一拇指关节连杆、第二拇指关节连杆、第一拇指驱动连杆和第二拇指驱动连杆形成双摇杆结构。
2.根据权利要求1所述的基于肌电控制的可穿戴式助力手指，其特征在于，所述四指包括四根连杆结构和驱动腱，其中，每一根连杆结构均包括：第一四指关节连杆、第二四指关节连杆、第三四指关节连杆、第一四指驱动连杆、第二四指驱动连杆和第三四指驱动连杆，所述第一四指关节连杆、第二四指关节连杆和第三四指关节连杆依次串联连接，并分别通过第一四指驱动连杆、第二四指驱动连杆、第三四指驱动连杆以及驱动腱与第三伺服电机驱动连接；所述驱动腱通过第一四指驱动连杆驱动第一四指关节连杆，形成曲柄摇杆机构；所述第一四指关节连杆上连接有用于驱动第二四指关节连杆的第二四指驱动连杆，形成双摇杆机构；所述第三四指驱动连杆用于驱动第三四指关节连杆运动，曲柄摇杆机构、双摇杆机构、第三四指关节连杆和第三四指驱动连杆串联形成四指的欠驱动机构；
所述第三伺服电机的转轴上连接有码盘和减速器，所述减速器设有滑轮结构，所述滑轮结构与曲柄摇杆机构驱动连接；
所述驱动腱上连接有力传感器和位置传感器，力传感器和位置传感器分别通过驱动腱的伸缩获得欠驱动仿人手指运动所需的力和位置信息。
3.根据权利要求2所述的基于肌电控制的可穿戴式助力手指，其特征在于，所述驱动腱包括第一丝杠、第二丝杠、第三丝杠、第四丝杠、第一滑轮、第二滑轮、第三滑轮、第四滑轮、第五滑轮、第六滑轮、第七滑轮、第一柔性绳、第二柔性绳和第三柔性绳，其中，所述第一丝杠、第二丝杠、第三丝杠、第四丝杠分别与四根连杆机构的第一四指驱动连杆相连接，所述第一滑轮、第二滑轮、第三滑轮和第四滑轮分别与第一丝杠、第二丝杠、第三丝杠和第四丝杠相连接，所述第一柔性绳通过第一滑轮和第二滑轮的中心与第五滑轮连接，所述第二柔性绳通过第三滑轮和第四滑轮的中心与第六滑轮连接，所述第三柔性绳通过第五滑轮和第六滑轮的中心与第七滑轮连接，所述力传感器通过第四柔性绳连接于第七滑轮上；
所述第一滑轮、第二滑轮、第三滑轮、第四滑轮、第五滑轮、第六滑轮和第七滑轮形成差动滑轮机构，实现四指的欠握紧和伸展运动。
4.根据权利要求1所述的基于肌电控制的可穿戴式助力手指，其特征在于，所述康复助力连接器设有拇指和四指连接接口；
所述助力板上还设有用于接收肌电信号的无线数据发送接收器；
所述助力板设有用于固定的尼龙绷带。
5.根据权利要求1所述的基于肌电控制的可穿戴式助力手指，其特征在于，所述磁耦合接口包括永磁端和患者手指接入端，所述永磁端与欠驱动仿人手指的关节连杆连接，所述患者手指接入端通过可伸缩性橡胶套与患者手指连接；
所述欠驱动仿人手指的拇指和四指上均设有磁耦合接入口、相邻手指关节连杆接口和驱动连杆接口；
所述驱动连杆上设有相邻驱动连杆连接口、关节连杆连接口和手指连杆运动调整腔。
6.根据权利要求1所述的基于肌电控制的可穿戴式助力手指，其特征在于，所述控制系统包括康复策略控制端，所述康复策略控制端分别与肌电采集阵列、力传感器、位置控制器和伺服电机控制连接。
7.根据权利要求6所述的基于肌电控制的可穿戴式助力手指，其特征在于，还包括可视化人机交互系统，所述人机交互系统与康复策略控制端交互连接。
8.一种权利要求1至7中任一项所述的基于肌电控制的可穿戴式助力手指的控制方法，其特征在于，通过肌电采集阵列采集肌电信号，并传输至控制系统控制伺服电机驱动欠驱动仿人手指协助需要康复的手指运动；
所述控制方法包括如下任一种或任多种控制模式：
-模式识别，通过健康手臂和/或手指获得肌电信号，经过手势识别，将手势信息发送至康复策略控制端转化为伺服电机的控制信号，获得手指的康复运动；
-连续运动估计，通过健康手指的连续运动估计，实时传给康复策略控制端控制伺服电机驱动，使助力手指实时跟踪健康手指的运动，从而根据需要调整康复运动力度、幅度参数；
-阻抗控制，从健康手指运动的肌电信号中提取阻抗信息，通过康复策略控制端，实现助力手指的阻抗控制，用于完成与环境之间的交互作业，从而使康复训练转化为实际的生活能力。
9.根据权利要求8所述的基于肌电控制的可穿戴式助力手指的控制方法，其特征在于，所述模式识别中，运动过程产生的位置和力信息实时反馈给可视化人机交互系统，通过调整康复运动控制策略获得康复效果。
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