CN109199654A - 一种实现假肢手柔顺运动的控制系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实现假肢手柔顺运动的控制系统，包括肌电传感器、神经拟态芯片、直流电机、拉线和假肢手，所述肌电传感器和所述神经拟态芯片无线连接，所述直流电机和所述神经拟态芯片电气连接，所述拉线的一端固定于所述直流电机的输出轴上，另一端连接到所述假肢手的各个关节部位。本发明还公开了一种实现假肢手柔顺运动的控制方法，包括以下步骤：1、所述肌电传感器采集手臂前臂的肌电信号，然后在上位机中采用非线性滤波进行预处理；2、所述神经拟态芯片接收预处理后的所述肌电信号，输出肌肉张力，作为所述直流电机的控制信号；3、所述直流电机通过所述拉线驱动所述假肢手运动。本发明采用仿生结构的假肢手，利用神经拟态芯片技术，可实现假肢手的仿生柔顺运动控制。

Description

一种实现假肢手柔顺运动的控制系统与方法
技术领域
本发明涉及假肢手领域，尤其涉及一种实现假肢手运动的控制系统与方法。
背景技术
假肢手的研究对于残疾人能够进行正常的生活和更好地融入社会是非常重要的，所以制造出外形与人手相仿、功能与人手接近、能对抓取动作进行实时控制的仿人手假肢对于肢体残疾人来说是迫切需要的。
近年来假肢手技术虽然有了很大发展，但假肢手拒用和弃用率仍然很高，其中一个很关键的原因是缺乏仿生柔顺控制的功能，不能实现假肢手的柔顺运动控制。目前假肢手驱动方式的主要是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，但纯机械结构与人类肢体的驱动方式具有本质差别，很难实现对人体运动功能的仿生，具体而言是无法实现柔顺运动控制。这一技术现状使得假肢手难以体现佩戴者的真实运动意图，导致弃用率居高不下。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种实现假肢手柔顺运动的控制系统与方法，假肢手采用仿生结构，利用神经拟态芯片技术，可实现假肢手的仿生柔顺运动控制。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是传统假肢手与人类肢体的驱动方式具有本质差别，很难实现对人体运动功能的仿生,具体而言是无法实现柔顺运动控制。
为实现上述目的，本发明提供了一种实现假肢手柔顺运动的控制系统，包括肌电传感器、神经拟态芯片、直流电机、拉线和假肢手，所述肌电传感器和所述神经拟态芯片无线连接，所述直流电机和所述神经拟态芯片电气连接，所述拉线的一端固定于所述直流电机的输出轴上，另一端连接到所述假肢手的各个关节部位。
进一步地，所述肌电传感器采集人体前臂的肌电信号作为控制信号源。
进一步地，所述神经拟态芯片是利用可编程的专用集成电路构建的一个可实时模拟仿真人体一对拮抗肌运动的生理特性的多尺度系统，所述神经拟态芯片的输出作为所述直流电机的控制信号。
进一步地，所述假肢手采用仿生结构，根据人手骨骼-肌腱-肌肉的结构组成。
进一步地，所述假肢手的骨骼用刚性材料仿生。
进一步地，所述假肢手的肌腱用拉线和弹簧仿生。
本发明还提出一种实现假肢手柔顺运动的控制方法，用于控制本发明中提出的实现假肢手柔顺运动的控制系统，包括以下步骤：
步骤1、所述肌电传感器采集手臂前臂的表面肌电信号，然后在上位机中采用非线性滤波对肌电信号进行预处理；
步骤2、所述神经拟态芯片接收预处理后的所述肌电信号，输出肌肉张力，作为所述直流电机的控制信号；
步骤3、所述直流电机通过所述拉线驱动所述假肢手运动。
进一步地，所述步骤1具体为所述肌电传感器采集手臂前臂的表面肌电信号，然后在上位机中采用非线性滤波对肌电信号进行放大、滤波等处理。
进一步地，所述步骤2中所述神经拟态芯片包括肌肉模型、肌梭模型、感觉神经元模型、突触模型和运动神经元模型。
进一步地，所述步骤2具体为所述神经拟态芯片的所述肌肉模型接收预处理后的所述肌电信号，传输至所述肌梭模型感受肌肉长度的变化，所述感觉神经元模型通过所述突触模型将肌肉长度的变化传递给所述运动神经元模型，所述运动神经元模型根据肌肉长度的变化调控肌肉伸缩，控制所述肌肉模型产生肌肉张力作为所述直流电机的控制信号。
本发明假肢手采用仿生结构，根据人手骨骼-肌腱-肌肉的结构组成，用刚性结构仿生人手骨骼，为仿生假肢手提供一定的刚度；用拉线和弹簧仿生人手肌腱，保证了假肢手具有一定的弹性，结构的仿生为柔顺控制的实现提供了基础。
本发明利用可编程的专用集成电路构建了一个可实时模拟仿真人体一对拮抗肌运动的生理特性的多尺度系统，即神经拟态芯片，在假肢手控制系统中，运用神经拟态技术可实现假肢手的仿生柔顺运动控制。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的假肢手控制实验场景图；
图2是本发明的一个较佳实施例的假肢手控制系统原理图；
其中，1-肌电传感器，2-神经拟态芯片，3-直流电机，4-拉线，5-假肢手。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
图1为本发明一个较佳实施例的假肢手控制实验场景图，包括肌电传感器1、神经拟态芯片2、直流电机3、拉线4和假肢手5，肌电传感器1和神经拟态芯片2无线连接，直流电机3和神经拟态芯片2电气连接，拉线4的一端固定于直流电机3的输出轴上，另一端连接到假肢手5的各个关节部位。
图2为是假肢手控制系统原理图。如图1和图2所示，肌电传感器1采集到手臂前臂的肌电信号，然后在上位机中对采集的信号进行放大、滤波等预处理，滤波采用非线性滤波方法进行实时滤波。预处理后的肌电信号，首先，输入到神经拟态芯片2的肌肉模型中，肌梭模型感受肌肉长度的变化，感觉神经元模型通过突触模型将肌肉长度的变化传递给运动神经元模型，然后运动神经元模型根据肌肉长度的变化调控肌肉伸缩，肌肉模型产生肌肉张力，神经拟态芯片2输出肌肉张力，该输出作为直流电机3的控制信号源，控制直流电机3转动，直流电机3通过拉线4驱动假肢手5运动。由于神经拟态芯片2的作用，使得驱动过程具备一定的变刚度和柔顺性，从而实现假肢手5的柔顺运动控制。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种实现假肢手柔顺运动的控制系统，其特征在于，包括肌电传感器、神经拟态芯片、直流电机、拉线和假肢手，所述肌电传感器和所述神经拟态芯片无线连接，所述直流电机和所述神经拟态芯片电气连接，所述拉线的一端固定于所述直流电机的输出轴上，另一端连接到所述假肢手的各个关节部位。
2.如权利要求1所述的实现假肢手柔顺运动的控制系统，其特征在于，所述肌电传感器采集人体前臂的肌电信号作为控制信号源。
3.如权利要求1所述的实现假肢手柔顺运动的控制系统，其特征在于，所述神经拟态芯片是利用可编程的专用集成电路构建的一个可实时模拟仿真人体一对拮抗肌运动的生理特性的多尺度系统，所述神经拟态芯片的输出作为所述直流电机的控制信号。
4.如权利要求1所述的实现假肢手柔顺运动的控制系统，其特征在于，所述假肢手采用仿生结构，根据人手骨骼-肌腱-肌肉的结构组成。
5.如权利要求4所述的实现假肢手柔顺运动的控制系统，其特征在于，所述假肢手的骨骼用刚性材料仿生。
6.如权利要求4所述的实现假肢手柔顺运动的控制系统，其特征在于，所述假肢手的肌腱用拉线和弹簧仿生。
7.一种实现假肢手柔顺运动的控制方法，其特征在于，所述控制方法用于控制权利要求1至6中任意一项所述实现假肢手柔顺运动的控制系统，包括以下步骤：
步骤1、所述肌电传感器采集手臂前臂的表面肌电信号，然后在上位机中采用非线性滤波对肌电信号进行预处理；
步骤2、所述神经拟态芯片接收预处理后的所述肌电信号，输出肌肉张力，作为所述直流电机的控制信号；
步骤3、所述直流电机通过所述拉线驱动所述假肢手运动。
8.如权利要求7所述的实现假肢手柔顺运动的控制方法，其特征在于，所述步骤1具体为所述肌电传感器采集所述表面肌电信号，然后在上位机中采用非线性滤波对肌电信号进行放大、实时滤波等处理。
9.如权利要求8所述的实现假肢手柔顺运动的控制方法，其特征在于，所述步骤2中所述神经拟态芯片包括肌肉模型、肌梭模型、感觉神经元模型、突触模型和运动神经元模型。
10.如权利要求9所述的实现假肢手柔顺运动的控制方法，其特征在于，所述步骤2具体为所述神经拟态芯片的所述肌肉模型接收预处理后的所述肌电信号，传输至所述肌梭模型感受肌肉长度的变化，所述感觉神经元模型通过所述突触模型将肌肉长度的变化传递给所述运动神经元模型，所述运动神经元模型根据肌肉长度的变化调控肌肉伸缩，控制所述肌肉模型产生肌肉张力作为所述直流电机的控制信号。
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