CN109998742B - 一种多自由度肌电仿生假肢控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多自由度肌电仿生假肢控制系统，涉及医疗器械与康复辅助器具领域，包括仿生假肢控制器和手机APP，其中仿生假肢控制器包括蓝牙模块、驱动模块、主控模块、电源管理模块、记忆存储模块、电源接口、肌电传感器接口、仿生假肢接口、切换开关接口，所述仿生假肢控制器通过蓝牙模块与所述手机APP无线连接。该多自由度肌电仿生假肢控制系统可随时随地通过手机APP动作模式及动作模式组快速选择设置仿生假肢的动作模式及其种类，方便快捷，满足患者对仿生假肢的个性化需求；通过手机APP肌电图观察患者残肢的信号质量，便捷地设置假肢的控制方式和切换方式，适用患者群体更广，便于截肢患者的日常应用。

Description

一种多自由度肌电仿生假肢控制系统

技术领域

本发明涉及医疗器械与康复辅助器具领域，尤其涉及一种多自由度肌电仿生假肢控制系统。

背景技术

我国上肢截肢患者数量庞大，但大多数患者未安装假肢手进行康复治疗。目前市场上的假肢多为美容手和单自由度假肢，美容手只能作为装饰用，没有实际操作功能；单自由度假肢的功能有限，只能简单的张合，对截肢患者的康复益处不大。多自由度肌电仿生假肢抓握功能较多，与患者对假肢的预期较为相符。但是目前多自由度肌电仿生假肢多为国外进口，如德国ottobock公司的bebionic假手和Michelangelo假手、英国的i-limb假手等，价格昂贵(20万元以上)，截肢患者负担不起，安装使用率低。第二，多自由度肌电仿生假肢采用两通道肌电信号进行控制，每个肌电信号控制一个动作模式的伸或曲，当两个信号同时激活时，实现自由度之间的切换。由于多自由度肌电仿生假肢的功能较多，这种同时激活切换的方式使用繁琐，患者不易掌握切换方法。比如，仿生假肢中有6个功能，实现功能1到功能6的转换需要切换5次。况且，相当一部分截肢患者残肢肌肉信号质量较差，难以同时激活两个肌电信号实现功能的切换。第三，多自由度肌电仿生假肢的功能较多，患者对功能种类的需求不尽相同，而且不同使用场景或者使用阶段，患者对假肢的动作模式及其种类也往往具有个性化的需求。于是对多自由度肌电仿生假肢控制器的日常维护提出了很高的挑战。本发明要解决的技术问题是：同时激活切换的方式使用繁琐；残肢患者肌肉信号差时，难以激活两个肌电信号实现功能切换；功能需求不同或者不同使用场景及使用阶段对动作模式有个性化需求时，对控制器的日常维护是个挑战。为了提升多功能仿生假肢的普及率，除了要降低多自由度假肢的成本，还要重点解决仿生假肢的便捷操控问题。因此，本领域的技术人员致力于开发一种多自由度肌电仿生假肢控制系统，来解决多自由度肌电仿生假肢的便捷操控问题。

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：同时激活切换的方式使用繁琐，切换方法不易掌握；截肢患者残肢肌肉信号差时，难以同时激活两个肌电信号实现功能切换；患者对功能需求不尽相同，不同使用场景或者使用阶段，对动作模式及其种类往往有个性化需求，对控制器的日常维护挑战性高的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种多自由度肌电仿生假肢控制系统，包括仿生假肢控制器和手机APP，其中所述仿生假肢控制器包括蓝牙模块，所述仿生假肢控制器通过所述蓝牙模块与所述手机APP无线连接。

进一步地，所述蓝牙模块采用蓝牙2.0或BLE蓝牙4.0协议，与所述手机APP进行无线通信，无线传输控制协议和控制指令。

进一步地，所述仿生假肢控制器还包括驱动模块、主控模块、电源管理模块、记忆存储模块、电源接口、肌电传感器接口、仿生假肢接口、切换开关接口，所述驱动模块与所述主控模块相连，所述主控模块与所述蓝牙模块相连，所述电源接口与所述电源管理模块相连，所述肌电传感器接口与所述主控模块相连，所述仿生假肢接口与所述驱动模块相连，所述切换开关接口与所述主控模块相连，所述记忆存储模块与所述主控模块相连，所述电源管理模块与所述驱动模块相连。

进一步地，所述主控模块包括高性能运算处理器及其外围电路，用于通信协议制定、仿生假肢电机驱动编码、肌电信号解析算法、动作模式设定、动作切换方式设定、比例控制算法设定；所述肌电信号解析算法根据肌电信号的能量值判定当前仿生假肢的动作模式和运动状态；所述比例控制算法根据肌电信号的能量值大小调控仿生假肢的动作速度。

进一步地，所述仿生假肢控制器中的所述动作切换方式包含双通道同时激活切换和单通道信号切换，其中所述单通道信号切换机理由所述驱动模块的电流反馈和单通道信号的持续保持时间共同决定。

进一步地，所述单通道信号切换机理为，通过所述驱动模块的电流反馈判断当前动作模式的极限状态，在当前动作模式极限状态下，单通道信号的持续保持时间超过1秒钟，则当前动作模式自动切换到所述动作模式组中的下一个动作。

进一步地，所述驱动模块包括微型封装低功耗驱动芯片及其外围电路，所述电源管理模块包括低功耗电源管理芯片及其外围电路，所述记忆存储模块包括微型封装记忆芯片及其外围电路。

进一步地，所述手机APP包括连接设置界面、动作模式选择界面、动作模式组设定界面、肌电图界面、切换方式设置界面、切换阈值设定界面。

进一步地，所述动作模式选择界面包含30种预设的日常动作图标，在所述动作模式选择界面选择目标动作后，界面上方自动播放所选模式动作的使用动画，并将相应控制协议无线发送到所述仿生假肢控制器中。

进一步地，所述切换方式设置界面用于设置通过肌电信号切换仿生假肢动作模式的方式，包括双通道同时激活切换和单通道信号切换两种方式。

技术效果

本发明中的多自由度肌电仿生假肢控制系统，可随时随地通过手机APP动作模式及动作模式组快速选择及设置仿生假肢的动作模式及其种类，方便快捷，满足患者对仿生假肢的个性化需求；通过手机APP肌电图观察患者残肢的信号质量，便捷地设置假肢的控制方式和切换方式，适用患者群体更广；提升仿生假肢的接受率和普及率，便于截肢患者的日常应用，改善截肢患者的生活质量。

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是本发明的较佳实施例的系统组成和模块连接关系示意图；

图2是本发明的较佳实施例的仿生假肢控制器的双通道同时激活切换流程图；

图3是本发明的较佳实施例的仿生假肢控制器的单通道信号切换流程图。

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。

如图1所示，本实施例中的多自由度肌电仿生假肢控制系统，包括仿生假肢控制器和手机APP。仿生假肢控制器包括蓝牙模块、驱动模块、主控模块、电源管理模块、记忆存储模块、电源接口、肌电传感器接口、仿生假肢接口、切换开关接口。手机APP包括连接设置界面、动作模式选择界面、动作模式组设定界面、肌电图界面、切换方式设置界面、切换阈值设定界面，用于设置仿生假肢控制器的当前动作模式、动作模式组合、控制仿生假肢张合动作、观察肌电信号、设置肌电触发阈值、设置动作切换方式。仿生假肢控制器通过蓝牙模块与手机APP相通。蓝牙模块采用BLE蓝牙4.0协议，与手机APP进行无线通信，无线传输控制协议和控制指令。

仿生假肢控制器中主控模块与蓝牙模块相连，接收手机APP发送的动作模式、动作切换方式、切换阈值指令，并通过蓝牙模块无线发送肌电信号至手机APP。驱动模块与主控模块相连，电源接口与电源管理模块相连，肌电传感器接口与主控模块相连，仿生假肢接口与驱动模块相连，切换开关接口与主控模块相连，记忆存储模块与主控模块相连，电源管理模块与驱动模块相连。

驱动模块包括微型封装低功耗驱动芯片及其外围电路，提供6通道的直流电机驱动输出驱动仿生假肢电机动作，具备力反馈、电流反馈和过流保护功能。

主控模块包括高性能运算处理器及其外围电路，用于通信协议制定、仿生假肢电机驱动编码、肌电信号解析算法、动作模式设定、动作切换方式设定、比例控制算法设定；其中肌电信号解析算法是根据肌电信号的能量值判定当前仿生假肢的动作模式和运动状态；比例控制算法是根据肌电信号的能量值大小调控仿生假肢的动作速度。

仿生假肢控制器中的动作切换方式包含双通道同时激活切换和单通道信号切换。如图2所示，双通道同时激活切换是指每个肌电信号控制一个动作模式，当两个肌电信号的能量值同时超过设定阈值时，实现模块动作之间的切换。

单通道信号切换机理由驱动模块的电流反馈和单通道信号的持续保持时间共同决定。如图3所示，单通道信号切换机理为，通过驱动模块的电流反馈判断当前动作模式的极限状态，在当前动作模式极限状态下，单通道信号的持续保持时间超过1秒钟，则当前动作模式自动切换到动作模式组中的下一个动作。双电极同时激活切换适合残肢信号较好的截肢患者，而单通道信号切换适合残肢信号较差的患者。

电源管理模块包括低功耗电源管理芯片及其外围电路，用于产生仿生假肢控制器所需要的稳压输出。记忆存储模块包括微型封装记忆芯片及其外围电路，用于存储主控模块设定的动作模式、动作切换方式、肌电信号解析算法、比例控制算法，掉电自动保存。电源接口，用于连接仿生假肢电池；肌电传感器接口用于连接两通道的肌电传感器；仿生假肢接口用于连接仿生假肢手头；切换开关接口用于连接切换开关。

在手机APP中，连接设置界面用于建立手机APP和仿生假肢控制器的蓝牙连接；动作模式选择界面用于设定仿生假肢的当前模式动作；动作模式组设定界面用于设定仿生假肢控制器中的动作模式种类及数量；肌电图界面用于观察仿生假肢控制器采集到的肌电信号；切换方式设置界面用于设置通过肌电信号切换仿生假肢动作模式的方式，包括上述的双通道同时激活切换和单通道信号切换；切换阈值设定界面用于设置每通道肌电信号出发仿生假肢动作的阈值。手机APP可以在iOS和Android系统环境下运行。

动作模式选择界面包含30种预设的日常动作图标，在动作模式选择界面选择目标动作后，界面上方自动播放所选模式动作的使用动画，并将相应控制协议无线发送到仿生假肢控制器中。手机APP完成对仿生假肢控制器的设置后，当前动作模式、动作模式组、切换方式、切换阈值参数自动保存在仿生假肢控制器的记忆存储模块中，仿生假肢控制器可脱离手机APP工作，通过双通道同时激活的肌电信号实现对仿生假肢的控制。这样患者可随时随地通过手机APP动作模式及动作模式组快速选择及设置仿生假肢的动作模式及其种类，方便快捷，解决了功能多时，同时激活切换方式使用繁琐，患者不易掌握切换方法的问题。同时也满足了患者对仿生假肢的个性化需求。

通过手机APP肌电图观察经由主控模块发送的肌电信号，根据患者残肢的信号质量，残肢信号较好的截肢患者适合双通道同时激活切换，残肢信号较差的患者适合单通道信号切换，便捷地设置假肢的控制方式和切换方式，解决了因为患者残肢肌肉信号质量较差难以同时激活两个肌电信号实现功能切换的问题，适用患者群体更广。

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 (5)

1.一种多自由度肌电仿生假肢控制系统，其特征在于，包括仿生假肢控制器和手机APP，其中所述仿生假肢控制器包括蓝牙模块，所述仿生假肢控制器通过所述蓝牙模块与所述手机APP无线连接；所述仿生假肢控制器还包括驱动模块、主控模块、电源管理模块、记忆存储模块、电源接口、肌电传感器接口、仿生假肢接口、切换开关接口，所述驱动模块与所述主控模块相连，所述主控模块与所述蓝牙模块相连，所述电源接口与所述电源管理模块相连，所述肌电传感器接口与所述主控模块相连，所述仿生假肢接口与所述驱动模块相连，所述切换开关接口与所述主控模块相连，所述记忆存储模块与所述主控模块相连，所述电源管理模块与所述驱动模块相连；所述主控模块包括高性能运算处理器及其外围电路，用于通信协议制定、仿生假肢电机驱动编码、肌电信号解析算法、动作模式设定、动作切换方式设定、比例控制算法设定；所述肌电信号解析算法根据肌电信号的能量值判定当前仿生假肢的动作模式和运动状态；所述比例控制算法根据肌电信号的能量值大小调控仿生假肢的动作速度；所述仿生假肢控制器中的所述动作切换方式包含双通道同时激活切换和单通道信号切换，其中所述双通道同时激活切换设置为每个肌电信号控制一个动作模式，当两个肌电信号的能量值同时超过设定阈值时，实现模式动作之间的切换，所述单通道信号切换机理由所述驱动模块的电流反馈和单通道信号的持续保持时间共同决定；所述手机APP包括连接设置界面、动作模式选择界面、动作模式组设定界面、肌电图界面、切换方式设置界面、切换阈值设定界面；所述连接设置界面用于建立手机APP和仿生假肢控制器的蓝牙连接；所述动作模式选择界面用于设定仿生假肢的当前模式动作；所述动作模式组设定界面用于设定仿生假肢控制器中的动作模式种类及数量；所述肌电图界面用于观察仿生假肢控制器采集到的肌电信号；所述切换方式设置界面用于设置通过肌电信号切换仿生假肢动作模式的方式，包括双通道同时激活切换和单通道信号切换两种方式；所述切换阈值设定界面用于设置每通道肌电信号触发仿生假肢动作的阈值。

2.如权利要求1所述的多自由度肌电仿生假肢控制系统，其特征在于，所述蓝牙模块采用蓝牙2.0或BLE蓝牙4.0协议，与所述手机APP进行无线通信，无线传输控制协议和控制指令。

3.如权利要求1所述的多自由度肌电仿生假肢控制系统，其特征在于，所述单通道信号切换机理为，通过所述驱动模块的电流反馈判断当前动作模式的极限状态，在当前动作模式极限状态下，单通道信号的持续保持时间超过1秒钟，则当前动作模式自动切换到所述动作模式组中的下一个动作。

4.如权利要求1所述的多自由度肌电仿生假肢控制系统，其特征在于，所述驱动模块包括微型封装低功耗驱动芯片及其外围电路，所述电源管理模块包括低功耗电源管理芯片及其外围电路，所述记忆存储模块包括微型封装记忆芯片及其外围电路。

5.如权利要求1所述的多自由度肌电仿生假肢控制系统，其特征在于，所述动作模式选择界面包含30种预设的日常动作图标，在所述动作模式选择界面选择目标动作后，界面上方自动播放所选模式动作的使用动画，并将相应控制协议无线发送到所述仿生假肢控制器中。

Images