CN106236503A - 肌电驱动的上肢可穿戴外骨骼系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于临床康复医学领域，具体是肌电驱动的上肢可穿戴外骨骼系统及控制方法。本发明通过神经肌电信号采集模块采集人体的上臂神经肌电信号；再通过主控板对采集到的神经肌电信号依次进行放大、滤波和归一化处理；再通过神经肌电信号处理模块将处理后的神经肌电信号进行再处理和分析，得到控制信号，并将控制信号发送给主控板；再通过上肢可穿戴外骨骼系统接收控制信号，并根据该信号进行动作。肌电驱动的上肢可穿戴外骨骼系统基于人体神经康复信号主动控制，能够根据检测到穿戴者肌肉组织的肌电信号，捕捉穿戴者运动意图，由肌电驱动的上肢可穿戴外骨骼系统提供所需动力辅助穿戴者实现运动目的。

Description

肌电驱动的上肢可穿戴外骨骼系统及控制方法

【技术领域】

本发明属于临床康复医学领域，具体是肌电驱动的上肢可穿戴外骨骼系统及控制方法。

【背景技术】

人的肢体是一个复合而精密的动力学系统，可以进行多种复杂活动的上肢是运用最多的肢体之一，它的活动直接影响了人的生活质量。但同时它也最容易受伤、稍有不慎就可能导致残疾，这向当今的医疗科学提出了严峻的挑战。虽然康复医疗不能完全治愈和恢复被损伤的肢体，但可以通过持续的理疗，修复一定的活动能力，最大程度提升患者的生活质量。因而从这个角度上讲，残疾后的康复治疗对上肢运动能力的恢复仍旧非常必要。

机器人学、康复医学、微电子技术和计算机技术等新兴科学技术的快速发展，大力推进了康复医疗设施的智能化，这给隶属于生物医学工程技术的医用机器人带来了高速发展的新机遇。作为近年来涌现的一种新兴科技，康复机器人技术不仅研究内容多而杂，而且牵扯到多学科的交叉，但由于其具备的高使用价值和广袤发展前景，因而受到了国际科学界的广泛关注。近二十年来，国内外的诸多科研人员已研制出了形形色色的肢体康复人系统。这些机器人风格迥异，样式也不尽相同，但究其根本，都是为了推动对患者进行的康复运动训练，最终早日实现真正临床层面的应用。

针对瘫痪患者康复训练过程中，缺乏生物反馈从而过度依赖康复机器人外骨骼辅助力，而减少自身肌肉群组主动施力，仅仅被动跟从训练的问题，通过实时表征肌肉群组机能活跃程度，作为人机神经感知接口的反馈与控制信道，从而达到自然而无约束地更正人机协作模式，渐进有效地矫正步态，并调动神经可塑性达到最佳状态的目的，为康复机器人的主-从智能控制策略及其在康复训练中的临床应用奠定基础，具有非常重要的理论意义和工程应用价值。

【发明内容】

为解决上述存在的问题，本发明的目的在于提供肌电驱动的上肢可穿戴外骨骼系统及控制方法，该外骨骼系统基于人体神经康复信号主动控制，能够根据检测到穿戴者肌肉组织的肌电信号，捕捉穿戴者运动意图，由肌电驱动的上肢可穿戴外骨骼系统提供所需动力辅助穿戴者实现运动目的。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的。

肌电驱动的上肢可穿戴外骨骼系统的控制方法，包括：

采集人体的上臂神经肌电信号；

对采集到的神经肌电信号依次进行放大、滤波和归一化处理；

将处理后的神经肌电信号进行再处理和分析，得到控制信号；

上肢可穿戴外骨骼系统接收控制信号，并根据该信号进行动作。

所述的采集人体的上臂神经肌电信号过程中采集三个部位的神经肌电信号，三个部位分别是需要检测肌肉的中央部位、肌肉的末端和需要检测肌肉临近的骨头上或肌肉较少的位置。

所述的滤波处理为中值滤波或平滑滤波。

所述的将处理后的神经肌电信号进行再处理和分析包括对该信号进行噪声消除、噪声滤波和噪声平滑，再提取有效信号作为控制信号。

肌电驱动的上肢可穿戴外骨骼系统，包括：

神经肌电信号采集模块，用于采集人体的上臂神经肌电信号；

主控板，用于对采集到的神经肌电信号依次进行放大、滤波和归一化处理；

神经肌电信号处理模块，用于将处理后的神经肌电信号进行再处理和分析，得到控制信号，并将控制信号发送给主控板；

上肢可穿戴外骨骼系统，用于接收控制信号，并根据该信号进行动作。

所述的主控板上连接有A/D采集卡和上位机，主控板通过上位机与神经肌电信号处理模块连接，A/D采集卡用于将主控板处理过的神经肌电信号发送给上位机，上位机用于将该信号发送给神经肌电信号处理模块并把神经肌电信号处理模块处理得到的控制信号发送给主控板。

所述的上位机上连接有人机交互界面。

所述的神经肌电信号采集模块上设有三个表面电极，神经肌电信号采集模块通过三个表面电极采集人体的上臂神经肌电信号。

所述的表面电极为AgCl表面电极。

本发明具有如下有益效果：

本发明的肌电驱动的上肢可穿戴外骨骼系统通过神经肌电信号采集模块采集人体的上臂神经肌电信号；再通过主控板对采集到的神经肌电信号依次进行放大、滤波和归一化处理；再通过神经肌电信号处理模块将处理后的神经肌电信号进行再处理和分析，得到控制信号，并将控制信号发送给主控板；再通过上肢可穿戴外骨骼系统接收控制信号，并根据该信号进行动作。

本发明能够根据检测到穿戴者肌肉组织的肌电信号(EMG，生理电信号)，捕捉穿戴者运动意图，由上肢可穿戴外骨骼系统提供所需动力辅助穿戴者实现运动目的，能够帮助上肢残疾或者上肢活动能力较弱的群体来实现一些简单生活能力；

本发明它将机器人技术引入临床康复医学领域，为了解决传统临床运动疗法存在的诸多问题、开辟崭新的上肢残疾运动康复技术路线，把智能控制与人体运动相结合，辅助患者进行上肢康复训练，替代了传统的康复医师运用各种训练手法；

本发明是基于肌电信号的外骨骼系统而设计，肌电信号是肌肉纤维受到来自神经的刺激后产生的生物电信号的测量值，肌电信号能在一定程度上反映神经肌肉的活动的变化规律，因而在康复医学临床和基础研究等方面均有重要的学术价值和应用意义。

进一步的，本发明的神经肌电信号采集模块上设有三个表面电极，分别设置在需要检测肌 肉的中央部位、肌肉的末端和需要检测肌肉旁边的骨头上或肌肉较少的位置，使得信号采集的数据更加全面，有助于数据分析模块生成的动作的控制信号更加准确。

进一步的，由于神经肌电信号采集模块采集的肌电信号非常弱，采集环境比较复杂，在采集和传输的过程中容易受到周围电场和电路噪音的影响，本发明通过主控板对肌电信号进行放大、滤波和归一化处理，再通过神经肌电信号处理模块使原始肌电信号上的噪声和毛刺被很好地削弱，曲线则近乎平滑，使得数据分析模块能够生成有效的控制数据，使控制部分的动作更加稳定可控。

【附图说明】

图1为本发明的实现装置示意图，图1(a)为本发明的实现装置的实现过程示意图；

图2为本发明的上肢肌电驱动的上肢可穿戴外骨骼系统的系统框图；

图3(a)为本发明的上肢可穿戴外骨骼系统采集的EMG信号；图3(b)为将EMG信号通过中值滤波后的信号，图3(c)为将EMG信号平滑滤波后的信号；

其中：1-相机，2-上肢可穿戴外骨骼系统，3-表面电极、4-神经肌电信号处理模块，5-肘关节辅助驱动的执行机构、6-水杯。

【具体实施方式】

下面结合附图来对本发明做进一步的说明。

如图1和图1(a)所示，本发明根据检测到穿戴者肌肉组织的神经肌电信号，捕捉穿戴者运动意图，由外骨骼系统提供所需动力辅助穿戴者实现运动目的，帮助上肢残疾或者上肢活动能力较弱的群体来实现一些简单生活能力。图1(a)为患者实现喝水的动作的过程。

本发明通过采集患者康复训练时的神经肌电信号，并对含有噪声的神经肌电信号进行处理，最后得到有效的信号来控制上肢肘关节的运动。

本发明采用如下技术方案：

如图2所示，结合图1及图1(a)，本发明的肌电驱动的上肢可穿戴外骨骼系统，包括：

神经肌电信号采集模块，用于采集人体的上臂神经肌电信号，神经肌电信号采集模块上设有三个AgCl表面电极，神经肌电信号采集模块通过三个表面电极采集人体的上臂神经肌电信号；主控板，用于对采集到的神经肌电信号依次进行放大、滤波和归一化处理；神经肌电信号处理模块，用于将处理后的神经肌电信号进行再处理和分析，得到控制信号，并将控制信号发送给主控板；上肢可穿戴外骨骼系统，用于接收控制信号，并根据该信号进行动作。

主控板与神经肌电信号采集模块、上肢可穿戴外骨骼系统、A/D采集卡和上位机分别连接，上位机与神经肌电信号处理模块和A/D采集卡分别连接，上位机上还连接有人机交互界面；A/D采集卡用于将主控板处理过的神经肌电信号发送给上位机，上位机用于将该信号发送给神经肌电信号处理模块并把神经肌电信号处理模块处理得到的控制信号发送给主控板。

本发明的A/D采集卡为USB A/D采集卡。

本发明的肌电驱动的上肢可穿戴外骨骼系统的控制方法，包括：

采集人体的上臂神经肌电信号，采集时，采集三个部位的神经肌电信号，三个部位分别是需要检测肌肉的中央部位、肌肉的末端和需要检测肌肉临近的骨头上或肌肉较少的位置；

对采集到的神经肌电信号依次进行放大、滤波和归一化处理，其中滤波处理通过中值滤波或平滑滤波；

将处理后的神经肌电信号进行再处理和分析，再处理和分析包括对该信号进行噪声消除、噪声滤波和噪声平滑，将对位肌肉收缩结合计算运动意图如下公式，就此提取有效信号作为控制信号；

EEMG_motion(t)＝B(t)-T(t)

最后，上肢可穿戴外骨骼系统接收控制信号，并根据该信号进行动作。

如图2所示，本发明上肢肌电驱动的上肢可穿戴外骨骼系统主要包括神经肌电信号的采集模块、神经肌电信号的处理模块、人机交互界面以及上肢可穿戴外骨骼系统四个部分的实现。方案图中各个模块的分析与说明如下：

神经肌电信号采集模块：通过神经肌电信号传感器检测人体的上臂肌电信息，采集肌电信号的表面电极选用AgCl表面电极，它的显著优点是极化电压小，能够快速准确地获取所需信号。

主控板：本发明中采用Arduino UNO作为主控板，采用ATmega328单片机。通过主控板实现对采集到的神经肌电信号进行放大、滤波和归一化处理，同时上位机发送控制信号实现对上肢可穿戴外骨骼系统的动作控制。

USB A/D采集卡：主控板通过USB A/D采集卡将采集到的肌电信号发送到上位机进行处理和分析。

肌电信号处理模块：由于神经肌电信号采集的过程不稳定且容易发生各种变化，采集到的神经肌电信号亦会受到外界环境各种干扰的污染，除了采集设备本身存在的噪声外，周围环境的噪声和人体皮肤表面的噪声都会对信号的采集产生不利影响。因此，要想完整准确地得到神经肌电信号所含的各类信息，噪声消除、噪声滤波和噪声平滑是首要工作。在本发明中使用matlab软件对采集的神经肌电信号进行处理分析，提取有效的信号作为控制信号。

人机交互界面：为了方便对系统进行调试，在设计中增加了人际交互界面。具体的图形用户界面包括两个区域：端口设置区和波形显示区。端口设置区主要完成对端口的设置，波形显示区用来显示理论驱动电压的波形，通过该波形可以基本了解驱动电压的变化趋势。

上肢可穿戴外骨骼系统：采用经处理的有效信号对肌电驱动的上肢可穿戴外骨骼系统进行控制，使其实现不同的动作。本发明采用两相四线的步进电机对上肢可穿戴外骨骼系统进行控制，L298P扩展板作为驱动板，Arduino UNO主控板作为控制单元。

目前上肢残疾患者的临床康复治疗常采用的方法是医生徒手或借助机械用具连续对患肢做被迫训练、重复引导，这种传统的治疗方法强度大、效能低，评估结果易受外界环境的各种干扰。为了解决传统临床运动疗法存在的诸多问题、开辟崭新的上肢残疾运动康复技术路线，作为时代要求的外骨骼康复机器人由此诞生。它将机器人技术引入临床康复医学领域，把智能控制与人体运动相结合，辅助或替代医师完成患肢康复训练，可以有效解决传统复训练方法中存在的问题。

本发明是基于肌电信号的外骨骼康复机器人而设计，肌电信号是肌肉纤维受到来自神经的刺激后产生的生物电信号的测量值，肌电信号能在一定程度上反映神经肌肉的活动的变化规律，因而在康复医学临床和基础研究等方面均有重要的学术价值和应用意义。

本设计的具体实施方式主要包括人机交互软件包设计与实现和硬件设计与实现三个部分。

1.1.人机交互系统设计

在设计过程中，为了便于对机器人进行控制，同时也是为了给用户创造良好的人机交互体验，开发了一套能够对数据进行实时采集、分析处理并进行图形化显示的人机交互系统。图形用户界面中全部的运算、绘图等操作均封装在了程序内部，使用者无需探寻该过程中一系列复杂而繁琐的代码，只需要和前台界面交互即可，这大大提升了程序的易用性，成为了一种人机交互的有效措施和优良策略。对于不同的应用对象，设计不同的虚拟环境的用户界面，医师可以针对病患的身体状况，对外骨骼的各关节的活动幅度和转动角速度加以调整，对病患进行渐进式的治疗；病患可以根据自己的需求，在用户界面选择不同的运动类型及运动模式，并从界面获得所需的训练结果信息，以此来鼓励患者进行康复训练，提高康复训练的效果。

人机交互软件包设计步骤如下：

第一、首要明确用户图形界面所要实现的主要功能，分析主要任务。第二、其次在上述前提下，需要绘制草图并对界面进行粗略的设计，这时应立足于用户的视角，注意感受用户的使用体验。第三、在绘制草图的基础上进行界面制作，合理设置控件的属性参数。第四、编写程序，仔细检验程序可能存在的各类问题。

具体实现过程如下所示：

设计人机交互软件包，可进行肌电信号的采集与处理，并通过串口进行信号的发送，实现实时分析。例如点击“打开”按钮，可以看到在左侧的坐标轴中有实时波形显示，并且可以读取到每时刻的数据值。

本设计通过表面电极采集肌电信号的信息，但由于肌电信号非常弱，采集环境比较复杂，在采集和传输的过程中容易受到周围电场和电路噪音的影响。在本发明中，采用了Arduino开发板作为主控板，将原始肌电信号进行放大滤波，通过USB A/D采集卡转换成数字量传送给PC即上位机。同时，上位机可保存接收到的数据，可以点击“保存”按钮，这样程序就在相应的目录创建了一个txt文件，并将获取到的数据实时保存。

如图3(a)至图3(c)所示，肌电信号采集的过程不稳定且容易发生各种变化，采集到的信号亦会受到外界环境各种干扰的污染，除了采集设备本身存在的噪声外，例如周围环境的噪声和人体皮肤表面的噪声都会对信号的采集产生不利影响。因此，不论从单一的时域特性或是频域特性来提取信号的属性都很难刻画信号的内在规律，要想完整准确地得到神经肌电信号所含的各类信息，噪声消除、噪声滤波和噪声平滑是首要工作。本发明对于肌电信号的处理主要采用的是中值滤波和平滑滤波两种滤波方法。

如图3(b)所示，中值滤波是基于排序统计理论的一种能有效抑制噪声的非线性信号处理技术，以信号数字序列为基础，其基本原理是把数字序列中一点的值用该点的一个邻域中各 点值的中值代替，让周围的信号值接近的真实值，从而消除孤立的噪声点。方法是用某种结构的二维滑动模板，将板内像素按照像素值的大小进行排序，生成单调上升(或下降)的为二维数据序列。二维中值滤波输出为g(x,y)＝med{f(x-k,y-l),(k,l∈W)}，其中，f(x,y)，g(x,y)分别为原始信号和处理后信号。

如图3(c)所示，平滑滤波是一种空间域的低频增强滤波技术，平滑滤波器就是用滤波掩模确定的邻域内像素的平均灰度值去替代图像的每个像素点的值。一般方法是进行简单平均，可以理解为求取邻近像素点平均亮度值。同时，合理地选择邻域大小直接关系到平滑滤波的效果，在一定范围内邻域越大效果约佳，如果超过了这个范围则会严重损失边缘信息，甚至丢失输出信号的特征信息。

采集到的神经肌电信号波形如图3(a)所示，可以看到经过中值和平滑滤波后，原始肌电信号上的噪声和毛刺被很好地削弱，曲线则近乎平滑。

同时可以在线控制上肢可穿戴外骨骼系统，发送控制指令有两种方式：一是通过可编辑文本框，向内部填写需要发送的数据，再点击“手动发送”按钮即可，或者也可以设定发送周期定时发送；二是载入txt文件发送，点击“载入文件”，此时已经将对应目录下txt文件中的数据读取到工作环境中，再通过设定发送周期，同样将数据以一定频率发送给了串口，此时可以在左下方坐标轴中看到电机运行位置反馈。

本发明的硬件设计包括肌电信息的采集和上肢康复机械手臂的控制，具体的实现主要分为以下几个步骤：

第一步，肌电信号的采集。在本发明中，我们以被广泛应用的开源硬件开发平台Arduino为例，配合神经肌电采集模块采集肌电信号，以此作为外骨骼系统的输入。需注意，为了获得较为理想的神经肌电信号则需确定要检测肌肉组织的部位，并在连接测量电极之前将测量部位的皮肤做彻底清洁。

神经肌电信号的采集硬件连接在测试中需要三片电极贴片，将第一片电极片贴在需要检测肌肉的中央部位，连接红色的电缆线插头；将第二片电极片贴在上述需要检测的肌肉的末端位置，连接绿色的电缆线连接头；将第三片电极片贴放在检测肌肉临近的骨头上或者其他周围肌肉较少的地方，连接黄色的电缆线连接头。

第二步，上肢可穿戴外骨骼系统的控制。在前两步中已经实现了神经肌电信号的实时采集和处理，通过GUI界面将采集到的神经肌电信号波形和处理后的波形显示出来，得到的信号即可作为控制信号控上肢康复系统的运动。考虑到本发明主要是辅助患者进行上肢运动，进行康复训练，实现肘关节随着自主肌电信号的随动的动作。最终的肌电驱动的上肢可穿戴外骨骼系统包括电路盒中集成的肌电信号传感器、主控芯片、电机的驱动芯片，电路的12伏的供电电源，上肢可穿戴外骨骼系统和人机交互界面。

总之，上肢可穿戴外骨骼系统辅佐医生对残疾患者做康复训练，填补了临床康运动治疗的诸多漏洞，在不久的将来更是有望替代人工治疗，是机器人技术在康复医疗领域的一次重要实践，康复机器人的探索和研究使医学和工学的联系更加密切，为人类医疗事业发展开拓了更为广阔的愿景，对人类未来的发展有重要的实际价值。

本发明的主要结论有以下几个方面：

1.深入探究神经肌电信号的生成机理；表面肌电信号采集的方法，以Arduino配合肌电传感器搭建了下位机即肌电信采集部分的硬件及软件程序，同时对神经肌电信号的处理常用方法进行了研究，综合各类方法优点，提出了一套肌电信号滤波系统并生产上肢可穿戴外骨骼系统运动控制的反馈信号，并进行了软件实施。

2.研究人体上肢活动的主要方式，本次设计的肌电驱动的上肢可穿戴外骨骼系统，在solidworks软件中绘制的三维模型能全面模拟人体上肢运动，设计完成肌电信号自主控制的主动与被动运动的外骨骼式上肢可穿戴外骨骼系统样机。

3.基础开发了一套人机交互系统作为控制外骨骼各种活动的上位机，包含转速波形区主要完成对实测转速波形的显示，能够直观地看到实际转速的波形，以便与理论形成对照。

本发明公开的肌电驱动的上肢可穿戴外骨骼系统及控制方法，为了便于病患对外骨骼系统进行自主智能化控制，采用肌电信号，即来自肌肉纤维受到来自神经的刺激后产生的生物电信号的测量值，通过表面肌电信号能在一定程度上反映神经肌肉的活动的变化规律，以被广泛应用的开源硬件开发平台Arduino为例，配合肌电传感器采集神经肌电信号，以此作为外骨骼系统的控制回路输入。并提出原始的肌电信号进行处理方法，将采集到的信号送由PC机进行信号进行反馈控制。最后将得到的有效信号作为控制信号输出给执行机构。同时，为了给用户创造良好的人机交互体验，我们以MATLAB为例，运用GUI图形用户界面功能，结合无线通信和同步跟踪控制的相关知识，开发了一套能够对数据进行实时采集、分析处理并进行图形化显示的人机交互系统。GUI交互界面将外骨骼系统的各个环节串联了起来，构成了一个有机整体，用户对外骨骼进行的所有操作都通过它来完成。因而在康复医学临床和基础研究等方面均有重要的学术价值和应用意义。

Claims (9)

1.肌电驱动的上肢可穿戴外骨骼系统的控制方法，其特征在于，包括：

采集人体的上臂神经肌电信号；

对采集到的神经肌电信号依次进行放大、滤波和归一化处理；

将处理后的神经肌电信号进行再处理和分析，得到控制信号；

上肢可穿戴外骨骼系统接收控制信号，并根据该信号进行动作。

2.根据权利要求1所述的肌电驱动的上肢可穿戴外骨骼系统的控制方法，其特征在于，所述的采集人体的上臂神经肌电信号过程中采集三个部位的神经肌电信号，三个部位分别是需要检测肌肉的中央部位、肌肉的末端和需要检测肌肉临近的骨头上或肌肉较少的位置。

3.根据权利要求1所述的肌电驱动的上肢可穿戴外骨骼系统的控制方法，其特征在于，所述的滤波处理为中值滤波或平滑滤波。

4.根据权利要求1所述的肌电驱动的上肢可穿戴外骨骼系统的控制方法，其特征在于，所述的将处理后的神经肌电信号进行再处理和分析包括对该信号进行噪声消除、噪声滤波和噪声平滑，再提取有效信号作为控制信号。

5.肌电驱动的上肢可穿戴外骨骼系统，其特征在于，包括：

神经肌电信号采集模块，用于采集人体的上臂神经肌电信号；

主控板，用于对采集到的神经肌电信号依次进行放大、滤波和归一化处理，

神经肌电信号处理模块，用于将处理后的神经肌电信号进行再处理和分析，得到控制信号，并将控制信号发送给主控板；

上肢可穿戴外骨骼系统，用于接收控制信号，并根据该信号进行动作。

6.根据权利要求5所述的肌电驱动的上肢可穿戴外骨骼系统，其特征在于，所述的主控板上连接有A/D采集卡和上位机，主控板通过上位机与神经肌电信号处理模块连接，A/D采集卡用于将主控板处理过的神经肌电信号发送给上位机，上位机用于将该信号发送给神经肌电信号处理模块并把神经肌电信号处理模块处理得到的控制信号发送给主控板。

7.根据权利要求6所述的肌电驱动的上肢可穿戴外骨骼系统，其特征在于，所述的上位机上连接有人机交互界面。

8.根据权利要求5所述的肌电驱动的上肢可穿戴外骨骼系统，其特征在于，所述的神经肌电信号采集模块上设有三个表面电极，神经肌电信号采集模块通过三个表面电极采集人体的上臂神经肌电信号。

9.根据权利要求8所述的肌电驱动的上肢可穿戴外骨骼系统，其特征在于，所述的表面电极为AgCl表面电极。