CN107789101A - 一种智能肌电假肢手装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能肌电假肢手装置，该装置包括手掌部件、手臂部件、腰挂式电池和肌电信号感应手环，肌电信号感应手环包括肌电电极、肌电信号采集模块和蓝牙模块；控制芯片上设有电机驱动模块、蓝牙模块和信号处理模块，控制芯片还包括缓冲电路、前置放大电路、滤波电路、后级放大电路和模数转换电路。本发明结构简单、使用方便，并且成本低、重量轻的智能肌电假肢手装置，该装置不仅可以完成对五根手指和腕部关节的高精度控制，而且使得智能假肢手可以进行较长时间的舒适佩戴与使用，同时能完成不同的动作，实现肌电假肢的多自由度自然控制，动作灵巧，减小了使用者的精神负担。

Description

一种智能肌电假肢手装置

技术领域

本发明属于智能助残器械领域，尤其涉及一种智能肌电假肢手装置。

背景技术

目前，假肢手研究领域的重要难题是设计出同时满足重量轻、体积小、输出力大、动作灵活的多自由度假肢手。对于智能假肢手驱动方式的研究主要为通过复杂的齿轮组等机械结构精确的再现手部的各种动作。这种方式的优点是精度较高，动作丰富，但是同时带来的不足是故障率高，重量大，且成本极高，其中重量大和成本高这两项劣势尤其难为普通假肢手使用者所接受。

另一种方向则是通过电机驱动拉线操纵手指关节的运动。其优点是机械结构大为简化，随之重量降低，同时成本较低。且通过对拉线控制假肢手的不断研究，目前可以通过使用较多数量的电机拉线组对假肢手实现高精度的控制。相较于复杂齿轮传动机构，其运动方式与效果更贴近于实际人手的运动。但是为了达到高精度的控制，拉线电机组的数量可以达到十几组，导致动力模块体积重量偏大以及拉线的走线较为繁杂。

目前，智能假肢的控制方式多采用为肌电控制，是利用微小的肌电电位差信号作为控制和操纵肌电假肢各种功能的初始信号，肌电电位差信号通过被安置在残肢皮肤表面上的电极来测取，用来控制肌电假手的张开、合闭和旋转等动能。

在现有的肌电假肢控制技术中，肌电假肢利用一对残留肌肉(主缩肌与拮抗肌)控制一个动作自由度。肢体截肢后，肌电信息源是有限的，截肢的程度越高，残留的肢体肌肉越少，而需要恢复的肢体动作越多。为了用一对肌肉控制多个自由度，肌电假肢增加了动作“模式”切换功能。“模式”的切换是利用同时使一对肌肉“收缩”或附加开关来实现的，这使肌电假肢的使用非常困难，这种肌电假肢控制方式不能直接实现肌电假肢的控制，造成肌电假肢使用中动作笨拙，增大肌电假肢使用者的精神负担。肌电信息源的采集设备误差大，导致假肢识别不出，不能完成相应动作。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种结构简单、使用方便，并且成本低、重量轻的智能肌电假肢手装置，该装置不仅可以完成对五根手指和腕部关节的高精度控制，而且使得智能假肢手可以进行较长时间的舒适佩戴与使用，同时能完成不同的动作，实现肌电假肢的多自由度自然控制，动作灵巧，减小了使用者的精神负担。

为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种智能肌电假肢手装置，其特征在于，该装置包括手掌部件、手臂部件、腰挂式电池和肌电信号感应手环，所述手掌部件与手臂部件连接；

所述手掌部件包括手心部件、手背部件和手指部件，所述手指部件设在手心部件上，所述手背部件与手心部件通过螺栓连接固定，所述手心部件内设有电机槽，所述电机槽内设有小型直线电机，所述小型直线电机上方设有电机固定板，所述电机固定板上方设有芯片固定板，所述芯片固定板上设有控制芯片；所述手心部件上设有电机拉线孔，且位于与手指部件的连接处，所述小型直线电机前端的伸出杆位于电机拉线孔处，所述手指部件内设有拉线和拉线通孔，所述手指部件的前段上设有拉线固定结构，所述拉线一端固定在拉线固定结构上，另一端固定在电机拉线孔处的小型直线电机上；

所述肌电信号感应手环包括肌电电极、肌电信号采集模块和蓝牙模块；所述控制芯片上设有电机驱动模块、蓝牙模块和信号处理模块，所述控制芯片还包括缓冲电路、前置放大电路、滤波电路、后级放大电路和模数转换电路；所述控制芯片通过连接线与腰挂式电池连接，所述肌电信号感应手环与控制芯片通过无线通信方式连接，所述肌电信号感应手环设在人体的残肢末端上。

作为上述技术方案的优选，所述手心部件、手背部件、手指部件和手臂部件的材质为聚乳酸或者热塑性聚氨酯弹性体橡胶。

作为上述技术方案的优选，所述肌电电极用于采集肌电信号。

作为上述技术方案的优选，所述肌电信号采集模块对采集到的肌电信号进行模数转换，提取肌电数据。

作为上述技术方案的优选，所述电机驱动模块用于接收并根据分类结果驱动肌电假肢内部电机工作，完成相应动作。

作为上述技术方案的优选，所述前置放大电路与缓冲电路连接，用于对肌电信号进行前置放大。

作为上述技术方案的优选，所述滤波电路与前置放大电路连接，用于对较弱的肌电信号进行过滤留下稳定的信号。

作为上述技术方案的优选，所述后级放大电路与滤波电路连接，用于对过滤后的肌电信号进行放大。

作为上述技术方案的优选，所述模数转换电路与滤波电路连接，用于对肌电信号进行模数转换。

本发明的有益效果是：

(1)本发明可以在对五根手指和手腕关节进行精确控制的同时，将重量体积都较大的电机组，通过小型化电直线机内嵌的方式置假肢手掌内部，大幅减小了模块的尺寸，更适合智能假肢手对于重量和体积的要求，便于佩戴使用的同时减少了拉线的行程；

(2)本发明中拉线长度缩短，且大部分都从内部走线，使用过程中更加稳定，不易出现与其它物体的缠绕刮碰而影响假肢手稳定工作的情况；

(3)本发明中腰挂盒上集成了较重的电池组，由于是佩戴于腰带上，使用舒适的同时对于重量限制大大放宽，对于增大电池容量，延长使用时间，同时由于采取拉线控制的方式，使得结构简单，故障率较低，成本较低，适合普通患者的日常使用需求。

(4)患者截肢后，虽然肢体不再存在了，但患者会有肢体仍然存在的感觉，这是一种“幻肢”现象。患者可以利用他们的幻肢做各种肢体动作，引起残肢肌肉收缩产生肌电信号。通过肌电感应手环的读取肌肉信号的方式和控制芯片连接，将肌电信号(模拟信号)转换为肌电数据(数字信号)，控制芯片控制小型直线电机完成不同的动作，实现肌电假肢的多自由度自然控制，减小了使用者的精神负担。

(5)本发明可以实现肌电假肢的直觉操控，使得假肢使用者完全可以按照自己的真实意图去操控假肢，实现精细操控的目的从而实现多功能假肢的自然、直觉控制，提高假肢使用的便利性。

附图说明

结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中肌电信号感应手环的结构示意图；

图3是本发明中手掌部件的手心内部结构示意图；

图4是本发明中手掌部件手心面的结构示意图；

图5是本发明中手掌部件的分体结构示意图；

图6是本发明中的控制系统流程图；

[图中附图标记]：

1-手掌部件，2-手臂部件，3-腰挂式电池，4-小型直线电机，5-拉线固定结构，6-电机拉线孔，7-拉线通孔，8-拉线，9-手心部件，10-手背部件，11-手指部件，12-电机固定板，13-芯片固定板。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。其次，本发明利用示意图进行了详细的表述，在详述本发明实例时，为了便于说明，示意图不依照一般比例局部放大，不应以此作为对本发明的限定。

需要说明的是，在下述的实施例中，利用图1的示意图对按本发明一种智能肌电假肢手装置进行了详细的表述。在详述本发明的实施方式时，为了便于说明，示意图不依照一般比例绘制并进行了局部放大及省略处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明提供了一种智能肌电假肢手装置，该装置包括手掌部件1、手臂部件2、腰挂式电池3和肌电信号感应手环，手掌部件1与手臂部件2连接；手掌部件1包括手心部件9、手背部件10和手指部件11，手指部件11设在手心部件9上，手背部件10与手心部件9通过螺栓连接固定，手心部件9内设有电机槽，电机槽内设有小型直线电机4，小型直线电机4上方设有电机固定板12，电机固定板12上方设有芯片固定板13，芯片固定板13上设有控制芯片；手心部件9上设有电机拉线孔6，且位于与手指部件11的连接处，小型直线电机4前端的伸出杆位于电机拉线孔6处，手指部件11内设有拉线8和拉线通孔7，手指部件11的前段上设有拉线固定结构5，拉线8一端固定在拉线固定结构5上，另一端固定在电机拉线孔6处的小型直线电机4上；

肌电信号感应手环包括肌电电极、肌电信号采集模块和蓝牙模块；肌电电极用于采集肌电信号，肌电信号采集模块对采集到的肌电信号进行模数转换，提取肌电数据；蓝牙模块通过蓝牙方式连接控制芯片，用于与控制芯片进行通信，将肌电数据传送到控制芯片；

控制芯片上设有电机驱动模块、蓝牙模块和信号处理模块，电机驱动模块用于接收并根据分类结果驱动肌电假肢内部电机工作，完成相应动作；信号处理模块通过嵌入式的算法处理接收到的肌肉电脉冲信号后通过动作数据发送给电机驱动模块；蓝牙模块用于接收肌电感应手环的信号，在集成控制芯片与手环之间建立无线连接方式。

控制芯片还包括缓冲电路、前置放大电路、滤波电路、后级放大电路和模数转换电路；前置放大电路与缓冲电路连接，用于对肌电信号进行前置放大；滤波电路与前置放大电路连接，用于对较弱的肌电信号进行过滤留下稳定的信号；后级放大电路与滤波电路连接，用于对过滤后的肌电信号进行放大；模数转换电路与滤波电路连接，用于对肌电信号进行模数转换。

控制芯片通过连接线与腰挂式电池3连接，肌电信号感应手环与控制芯片通过无线通信方式连接，肌电信号感应手环设在人体的残肢末端上。

进一步的，手心部件9、手背部件10、手指部件11和手臂部件2的材质为聚乳酸或者热塑性聚氨酯弹性体橡胶。

本发明通过在手心部件中设有电机槽，共五个槽依次排列，每个电机槽带有相应的拉线通道以便于拉线8引出，并且选用小型直线电机4，将带齿轮箱的电机嵌入电机槽中，电机4通过伸出杆的收放控制拉线8的收放；另外通过设有腰挂式电池3，将重量较大的电池组集成在腰挂盒中，手掌部件1与腰挂式电池3之间通过具有良好柔韧性的数据线相连，腰挂式电池3通过绑带固定于使用者身上。

另外，使用者可以利用他们的幻肢做各种肢体动作，引起残肢肌肉收缩产生肌电信号，通过肌电感应手环的读取肌肉信号的方式和控制芯片连接，将肌电信号(模拟信号)转换为肌电数据(数字信号)，控制芯片控制小型直线电机4完成不同的动作，实现肌电假肢的多自由度自然控制，减小了使用者的精神负担。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种智能肌电假肢手装置，其特征在于，该装置包括手掌部件、手臂部件、腰挂式电池和肌电信号感应手环，所述手掌部件与手臂部件连接；

所述手掌部件包括手心部件、手背部件和手指部件，所述手指部件设在手心部件上，所述手背部件与手心部件通过螺栓连接固定，所述手心部件内设有电机槽，所述电机槽内设有小型直线电机，所述小型直线电机上方设有电机固定板，所述电机固定板上方设有芯片固定板，所述芯片固定板上设有控制芯片；所述手心部件上设有电机拉线孔，且位于与手指部件的连接处，所述小型直线电机前端的伸出杆位于电机拉线孔处，所述手指部件内设有拉线和拉线通孔，所述手指部件的前段上设有拉线固定结构，所述拉线一端固定在拉线固定结构上，另一端固定在电机拉线孔处的小型直线电机上；

所述肌电信号感应手环包括肌电电极、肌电信号采集模块和蓝牙模块：所述控制芯片上设有电机驱动模块、蓝牙模块和信号处理模块，所述控制芯片还包括缓冲电路、前置放大电路、滤波电路、后级放大电路和模数转换电路；所述控制芯片通过连接线与腰挂式电池连接，所述肌电信号感应手环与控制芯片通过无线通信方式连接，所述肌电信号感应手环设在人体的残肢末端上。

2.如权利要求1所述的智能肌电假肢手装置，其特征在于，所述手心部件、手背部件、手指部件和手臂部件的材质为聚乳酸或者热塑性聚氨酯弹性体橡胶。

3.如权利要求1所述的智能肌电假肢手装置，其特征在于，所述肌电电极用于采集肌电信号。

4.如权利要求3所述的智能肌电假肢手装置，其特征在于，所述肌电信号采集模块对采集到的肌电信号进行模数转换，提取肌电数据。

5.如权利要求4所述的智能肌电假肢手装置，其特征在于，所述电机驱动模块用于接收并根据分类结果驱动肌电假肢内部电机工作，完成相应动作。

6.如权利要求5所述的智能肌电假肢手装置，其特征在于，所述前置放大电路与缓冲电路连接，用于对肌电信号进行前置放大。

7.如权利要求6所述的智能肌电假肢手装置，其特征在于，所述滤波电路与前置放大电路连接，用于对较弱的肌电信号进行过滤留下稳定的信号。

8.如权利要求7所述的智能肌电假肢手装置，其特征在于，所述后级放大电路与滤波电路连接，用于对过滤后的肌电信号进行放大。

9.如权利要求8所述的智能肌电假肢手装置，其特征在于，所述模数转换电路与滤波电路连接，用于对肌电信号进行模数转换。