CN106945017A - 基于肌电信号控制的手臂助力器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于肌电信号控制的手臂助力器及其控制方法；包括固定部分、检测部分、控制部分、动力系统和电源部分；固定部分包括大臂固定板、大臂固定环、小臂固定板、小臂固定环、肩部固定带和腰部固定带；检测部分包括三片电磁贴片，分别为电磁贴片一、电磁贴片二和电磁贴片三；控制部分包括开发板、Muscle Sensor电路板和电机控制板；电源部分用于供电；本发明采用了肌电信号检测模块，能及时检测人体肱二头肌与肱三头肌附近收缩发出的表层肌电信号，协助完成人体相应动作；并能判断人的意图，穿戴方便，能适应不同人群的需要。

Description

基于肌电信号控制的手臂助力器及其控制方法

技术领域：

本发明涉及一种基于肌电信号控制的手臂助力器及其控制方法。

背景技术：

人们在生活中有时不免去搬动一些较重的东西，而这些我们费力搬起的东西往往对我们的手臂，脊椎，以及腰部带来极大的损伤，特别是那些需要经常搬动重物的工人们，往往在中年时就落下一身的疾病。随着科技的不断发展，更多人们很快关注到这些方面，人体外骨骼应运而生，他可以通过被在背部的液压装置帮助人将重物提升起来，大大减轻人所需要的手臂力气，但是纯机械的设备必然有他的不足之处(图9)，主要体现在(1)机械设计反应不够灵敏，无法及时反馈人体需要进行的动作，减缓人们的运动效率。(2)因人体体型不同，使用人群受限制。(3)液压传动装置背在背部太过沉重与不方便，增加了人体背部的负荷，并不利于人体的运动。

发明内容：

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于肌电信号控制的手臂助力器及其控制方法。

本发明采取的技术方案是：

一种基于肌电信号控制的手臂助力器，包括固定部分、检测部分、控制部分、动力系统和电源部分。

所述固定部分包括大臂固定板、大臂固定环、小臂固定板、小臂固定环、肩部固定带和腰部固定带。大臂固定板与小臂固定板通过双向轴承进行连接；大臂固定环通过紧定螺母安装在大臂固定板另一端；小臂固定环紧定螺母可活动设置在小臂固定板另一端；大臂固定环和小臂固定环的直径大小均可调；肩部固定带一端通过肩带固定螺母孔固定在大臂固定板4上端，另一端绕过肩部与位于臀部偏上处的腰部固定带可活动连接。

所述检测部分包括三片电磁贴片，分别为电磁贴片一、电磁贴片二和电磁贴片三；电磁贴片一和电磁贴片二间距5cm沿手臂伸直方向贴在手臂肱二头肌上；电磁贴片三贴在手臂肱三头肌上；三片电磁贴片与Muscle Sensor电路板通过导线连接；三片电磁贴片用于检测手臂肌电信号，并将信号传递到Muscle Sensor电路板。

所述的控制部分包括开发板、Muscle Sensor电路板和电机控制板。开发板接收Muscle Sensor电路板传回的信号，使能电机控制板控制电动推拉杆的伸缩。

所述动力系统为电动推拉杆。所述电动推拉杆两端分别通过推拉杆大臂固定螺母孔和推拉杆小臂固定螺母孔连接大臂固定板和小臂固定板，起到牵引手臂运动的作用。

所述电源部分用于供电；电源模块包括12V镍氢电池、两块9V无汞碳性电池和12伏转5伏转压模块；12V镍氢电池用于为电动推拉杆供电；两块9V无汞碳性电池为MuscleSensor电路板供电；12伏转5伏转压模块用于为开发板供电。

电磁贴片一和电磁贴片二用于检测人体肱二头肌和电磁贴片三检测肱三头肌附近收缩信号，然后通过Muscle Sensor电路板反馈到开发板中进行样本分析与计算，再由开发板使能电机控制板使能推拉杆牵引手臂提起重物，起到助力作用，而且减少设备反应时间。

本发明还涉及一种基于肌电信号手臂助力控制方法，步骤如下：

第一步：第一次佩戴时(如果为第二次穿戴，直接从第三步开始)，将电磁贴片一和电磁贴片二相距5厘米沿手臂伸直方向贴在手臂肱二头肌上，电磁贴片三贴在手臂肱三头肌上；打开电源开关，开发板开始工作，弯曲手臂至极限位置，约两秒后展开，期间开发板采样次。

第二步：导线将电磁贴片检测到的肌电信号传递到Muscle Sensor电路板，然后反馈到开发板模拟引脚，开发板中存储有手臂助力控制参数(可根据现有技术编程)。

第三步：将腰部固定带固定在臀部偏上位置，大臂固定环通过紧定螺母安装在大臂固定板另一端；小臂固定环紧定螺母可活动设置在小臂固定板另一端；根据不同人群手臂长短、粗细调整小臂固定环的位置并调整其松紧度以固定在小臂上；所述的双向轴承与手臂肘关节相对，同时调整大臂固定环的松紧度，使其紧固在大臂上，将肩部固定带一端通过肩带固定螺母孔固定在大臂固定环上。另一端向后绕过肩部固定在腰部固定带上，使人在站直状态下肩部有轻微的压力感。

第四步：手臂稍稍用力，电磁贴片采集到人体肱二头肌与肱三头肌表层肌电信号，通过导线传递到开发板的模拟引脚。

第五步：开发板接收到信号后,通过电机控制板控制电动推拉杆进行伸缩，电动推拉杆带动小臂向上抬起，直到电动推拉杆到达底端；反之，如果伸开小臂，则电动推拉杆伸长，带动小臂放下。重复以上过程。

所述的手臂助力控制参数为：

第一次弯曲手臂的过程中采样二十次，分别计为X1-X20；设肌电信号强度比对量为D：

D＝∑(X1-X20)/20；

设备运行过程中开发板模拟引脚接受数据为Y；

收缩信号手臂抬起：

Y≥D；

放松信号手臂放下：

Y<D；

本发明的有益效果：

(1)本发明采用了肌电信号检测模块，可以及时检测人体肱二头肌与肱三头肌附近收缩发出的表层肌电信号，并判断人的意图，协助完成人体相应动作，反映灵敏。

(2)本发明使用前可自行根据不同人体状况调整控制参数，能适应不同人群的需要。

(3)本发明将现有液压装置改为电控，大大减少设备对人体多余的负荷。

本发明质量轻，穿戴方便，没有人群限制，可应用性强，效果明显，便于推广应用。

附图说明：

图1：本发明俯视图

图2：本发明主视图

图3：电磁贴片位置展示

图4：手臂助力器工作原理图

图5：手臂受力分析图

图6：小臂受力分析图

图7：本发明佩戴效果图一

图8：本发明佩戴效果图二

图9：现有液压助力设备

图中：1紧定螺母、2肩带固定螺母孔、3推拉杆大臂固定螺母孔、4大臂固定板、5推拉杆小臂固定螺母孔、6小臂固定板、7电动推拉、8大臂固定环、9轴承端盖、10双向轴承、11小臂固定环、12、电磁贴片一、13电磁贴片二、14电磁贴片三。

具体实施方式：

以左臂为例：

第一步：第一次佩戴时(如果为第二次穿戴，直接从第三步开始)，将电磁贴片一12和电磁贴片二13相距5厘米沿手臂伸直方向贴在手臂肱二头肌上，电磁贴片三14贴在手臂肱三头肌上；打开电源开关，开发板开始工作，弯曲手臂，约两秒后展开。

第二步：导线将电磁贴片检测到的肌电信号传递到开发板模拟引脚，开发板进行分析计算，重置内部数据。

第三步：将腰部固定带固定在臀部偏上位置，大臂固定环8通过紧定螺母1安装在大臂固定板4另一端；小臂固定环11紧定螺母1可活动设置在小臂固定板6另一端；根据不同人群手臂长短、粗细调整小臂固定环11的位置并调整其松紧度以固定在小臂上；所述的双向轴承10与手臂肘关节相对，同时调整大臂固定环8的松紧度，使其紧固在大臂上，将肩部固定带一端通过肩带固定螺母孔2固定在大臂固定环8上。另一端向后绕过肩部固定在腰部固定带上，使人在站直状态下肩部有轻微的压力感。

第四步：打开放在腰部盒子里的电源开关，机器开始运行。

第五步：手臂稍稍用力，这时传导线上的贴片采集到人体肱二头肌与肱三头肌表层肌电信号，通过传导线传递到开发板的模拟引脚。

第六步：开发板接收到信号后,通过数字引脚使能电机控制板，然后由数字引脚控制推拉杆进行伸缩，推拉杆带动小臂向上抬起，抬到一定角度后，数字引脚置低，退出使能状态，如果继续用力，推拉杆则继续向上运动，直到推拉杆到达底端，若一直在用力中推拉杆则保持位置不发生变化，如果想放下，开发板模拟引脚检测到人体表层电流变化，数字引脚拉高进行使能，然后推拉杆伸长，将小臂放下。接下来重复以上过程。

为防止在放下小臂的过程中受伤，本发明做了分段处理，从而防止发生由于重物放下太快损伤人事情的发生。经过磨合之后，机器便可以大大减少人在提升重物方面消耗的能量。

验证例：

本发明原理如下：

本发明基于肌电信号控制的手臂助力器具体助力参数如下：

将手臂简化成如图5和图6所示的力学模型，F为推拉杆的拉力，F1为被提升重物的重力，β角为大臂和小臂之间的夹角(45度<β<178度)，θ为推拉杆和小臂之间的夹角，如图5对手臂整体进行静力分析。

(下述长度单位为cm)

如图6对小臂进行横杆受力分析：

以右端铰链为矩心，列矩心方程：

F1*(15+X)-F*15*sinθ＝0

(5度<θ<75度)

下表为θ＝75度时，在不同的推拉杆拉力和小臂不同力臂情况下所承受重物的最大质量。

其中F:推拉杆拉力 m:被提升的重物质量 X:小臂力臂长度

本发明基于上述原理设计了一种手臂助力器，可有效减轻手臂负荷。

本发明以其质量轻，穿戴方便，没有人群限制，可以帮助受伤的人进行恢复训练，协助人们活动和农作，有效减轻他们手臂的负荷，可应用性强，效果明显，可以进行大规模推广。

Claims (4)

1.一种基于肌电信号控制的手臂助力器，其特征在于包括固定部分、检测部分、控制部分、动力系统和电源部分；

所述固定部分包括大臂固定板、大臂固定环、小臂固定板、小臂固定环、肩部固定带和腰部固定带；大臂固定板与小臂固定板通过双向轴承进行连接；大臂固定环通过紧定螺母安装在大臂固定板另一端；小臂固定环紧定螺母可活动设置在小臂固定板另一端；大臂固定环和小臂固定环的直径大小均可调；肩部固定带一端通过肩带固定螺母孔固定在大臂固定板4上端，另一端绕过肩部与位于臀部偏上处的腰部固定带可活动连接；

所述检测部分包括三片电磁贴片，分别为电磁贴片一、电磁贴片二和电磁贴片三；电磁贴片一和电磁贴片二沿手臂伸直方向贴在手臂肱二头肌上；电磁贴片三贴在手臂肱三头肌上；三片电磁贴片与Muscle Sensor电路板通过导线连接；三片电磁贴片用于检测手臂肌电信号，并将信号传递到Muscle Sensor电路板；

所述的控制部分包括开发板、Muscle Sensor电路板和电机控制板；开发板接收MuscleSensor电路板传回的信号，使能电机控制板控制电动推拉杆的伸缩；

所述动力系统为电动推拉杆；所述电动推拉杆两端分别通过推拉杆大臂固定螺母孔和推拉杆小臂固定螺母孔连接大臂固定板和小臂固定板，起到牵引手臂运动的作用；

所述电源部分用于供电。

2.如权利要求1所述的一种基于肌电信号控制的手臂助力器，其特征在于所述的电磁贴片一和电磁贴片二间距5cm。

3.如权利要求1所述的一种基于肌电信号手臂助力控制方法，其特征在于步骤如下：

第一步：第一次佩戴时，将电磁贴片一和电磁贴片二相距5cm沿手臂伸直方向贴在手臂肱二头肌上，电磁贴片三贴在手臂肱三头肌上；打开电源开关，开发板开始工作，弯曲手臂至极限位置，约两秒后展开，期间开发板采样次；如果是第二次穿戴，直接从第三步开始；

第二步：导线将电磁贴片检测到的肌电信号传递到Muscle Sensor电路板，然后反馈到开发板模拟引脚，开发板中存储有手臂助力控制参数；

第三步：将腰部固定带固定在臀部偏上位置，大臂固定环通过紧定螺母安装在大臂固定板另一端；小臂固定环紧定螺母可活动设置在小臂固定板另一端；根据手臂长短、粗细调整小臂固定环的位置并调整其松紧度以固定在小臂上；所述的双向轴承与手臂肘关节相对，同时调整大臂固定环的松紧度，使其紧固在大臂上，将肩部固定带一端通过肩带固定螺母孔固定在大臂固定环上；另一端向后绕过肩部固定在腰部固定带上，使人在站直状态下肩部有轻微的压力感；

第四步：手臂稍稍用力，电磁贴片采集到人体肱二头肌与肱三头肌表层肌电信号，通过导线传递到开发板的模拟引脚；

第五步：开发板接收到信号后,通过电机控制板控制电动推拉杆进行伸缩，电动推拉杆带动小臂向上抬起，直到电动推拉杆到达底端；反之，如果伸开小臂，则电动推拉杆伸长，带动小臂放下；接下来重复以上过程。

4.如权利要求2所述的一种基于肌电信号手臂助力控制方法，其特征在于所述的手臂助力控制参数为：

第一次弯曲手臂的过程中采样二十次，分别计为X1-X20；设肌电信号强度比对量为D：

D＝∑(X1-X20)/20；

设备运行过程中开发板模拟引脚接受数据为Y；

收缩信号手臂抬起：

Y≥D；

放松信号手臂放下：

Y<D。