CN1116855C - 用肌肉电控制假肢的方法 - Google Patents

Abstract

为了对一个电机操纵的假肢，特别是假手进行肌肉电的比例控制，其中，当时的电极信号被测量并输往一个控制装置，或者是进行比例速度调节，或者是进行比例抓力调节。在进行比例速度调节时得出配属于当时被测出的电极电压的转速额定值。在比例抓力调节中，抓力的建立是逐步进行的；最大的抓力分为等级，其中，实际的电极电压相当于一个确定的级数；一个确定的脉冲宽度调制值(PWM值)和一个附属于此的断电值配属于每个等级。

Description

用肌肉电控制假肢的方法

技术领域

本发明涉及一种用肌肉电比例控制一个电机操纵的假肢，特别是假手的方法，其中，测量当时出现的电极信号的电压并把该电压输往一个控制装置。

背景技术

DE 1808934 B2公开了一种用于比例控制的、电机操纵的假肢，特别是假手的肌肉电控制电路，其中，假肢的驱动电机在假肢动作时间脉动地接在电源上。一个与肌肉电压成比例的直流电压与一个恒定脉冲高度的和脉冲重复频率的锯齿形电压叠加。该总电压的超过恒定阀值的部分使驱动电机接通电源。

DE 2236969 B2公开了一种用于一个肌肉电的、脉冲宽度调制的控制电路的电机制动电路，该控制电路用于控制一个比例控制的、电机操纵的假肢，特别是假手，肌肉电压在其中得到放大、整流、积分并与一个恒定脉冲重复频率和脉冲高度的锯齿形脉冲电压叠加。该叠加电压被加到一个矩形脉冲发生器的输入端上，以便根据接收了的肌肉电压的幅度控制矩形发生器脉冲的工作比。矩形发生器脉冲被用来控制开关单元，通过开关单元使驱动电机脉动地接在电源上。脉冲宽度调制了的矩形发生器脉冲经过一个放大器被输往一个积分电路。该积分电路的输出电压与矩形发生器脉冲的工作比的平均值成比例。矩形发生器脉冲在一个随后的微分电路中被微分并控制开关单元的另一个开关，该开关脉动地短接驱动电机的电框绕组。该另一开关仅根据具有一个相应的阀值的极性的信号进行开关并可由一个加偏压的晶体管构成。

DE 2554885 A公开了一种用于脉冲宽度调制的、比例控制的、电机操纵的假肢，特别是假手的、肌肉电的控制电路，肌肉电压在其中被放大、整流并与一个恒定频率的锯齿形电压叠加。总电压被加到一个大致为施密特触发器结构的脉冲发生器的输入端上，以便根据接收了的肌肉电压的幅度变动发生器脉冲的工作比。发生器脉冲被用来控制开关单元，通过开关单元使驱动电机脉动地接在电源上。在该电路中，一个与驱动电机的电流成比例的电压可被输往脉冲发生器的输入端和/或一个与电机电压成比例的电压作为偏压可被输往脉冲发生器。在开关单元和电机之间串连一个测量用电阻，该电阻的两个端子接在一个差分放大器的输入端上。该差分放大器的输出端与脉冲发生器的输入端相连。

因此，用于机电假手的、与EMG(肌电图)信号成准比例的抓力及速度控制装置业已公开。在使用直流电机的情况下，最通常的用于进行转速调节的方法是脉冲宽度调制法(PWM)。在该方法中，周期性的直流电压被输往电机，周期性直流电压的频率绝大部分处于听觉范围之上，其范围为18至40千赫。根据EMG信号的大小把等效长的电压脉冲输往电机，该电压脉冲通过电机电框的机械惯量被积分成一个等效的电压平均值。其中还曾建议，在键控脉冲间隔时间内使电机短接，以便取得更好的转速调节。但整个系统的电耗因此而有所增加。

用现有的控制系统在开启和闭合方向内以及在力的建立中进行实际上令人满意的控制是不可能的，其原因在于，一方面，通过内手和塑料包封从外起作用的弹性力矩使线性速度调节难以进行，另一方面，在纳入一个自动变速器的情况下也不能对抓力的建立进行最佳地调节。

发明内容

本发明的任务在于，就上述存在的问题改进本说明书开始所述的方法。

本发明提供了一种用肌肉电比例控制一个电机操纵的假肢的方法，其中，测量当时出现的电极信号的电压并将其输往一个控制装置，其特征在于，

a)进行比例速度调节，从不同的、涉及驱动电机的、分别通过一个确定的电极电压限定的转速额定值中得出配属于当时被测出的电极电压的转速额定值，

b)该转速额定值与被测出的电机实际转速比较并作为调节误差被输往一个比例积分调节器，

c)在比例积分调节器中，调节误差按照调整了的参数被转换成一个脉冲宽度调制信号并用以控制驱动电机，据此，驱动电机得到一个与电极的实际电压成比例的转速，

d)测量驱动电机的当时的实际电流值并使其与一个给定的电流最大值比较，在超过该给定的电流最大值的情况下，比例积分调节器被断路

e)进行比例抓力调节，抓力的建立是逐步进行的，

f)最大的抓力分为等级，其中，实际的电极电压相当于一个确定的级数，

g)一个确定的脉冲宽度调制值和一个附属于此的断电值配属于每个等级，

h)由计数器读数0一直数到由实际的电极电压给定的级数，被计数器当时选定的脉冲宽度调制值连同与脉冲宽度调制值等效的断电值被输出，

i)与此同时，驱动电机的电流被测量并与当时输出的断电值比较，

j)当达到该断电值时，计算器将增加1，下一个脉冲宽度调制值被输出，

k)当计数器达到由电极实际电压给定的级数时，就达到了给定的抓力，驱动电机被断路，

l)驱动电机的当时实际电流值被测量并与一个给定的电流最大值比较，当超过该电流最大值时，驱动电机同样被断路，

其中，测出的和或许被锁住的电极信号被输往一个控制电路，并且一个抓力开关把控制方法分为比例速度调节和比例抓力调节，如果电极信号没有达到一个位于一个自动变速器的转换点之上的开关点，则该方法以比例速度调节方式工作，但在超过开关点时，该方法以比例抓力调节方式工作。

优选的是，在达到给定的抓力时，电极实际电压的幅度被存储并被定为或许再次手抓的开关阀值。

优选的是，为了能快速取得最大抓力，计数器读数在给定的开关阀值被电极电压超过时不是被置到零，而是被置到一个较高的表值。

优选的是，两个电极信号被测量、平均并被输往一个联锁装置，在该联锁装置中，电极信号与在内部调好的开关阀值进行比较并且相应的电机方向被释放。

优选的是，所述的假肢是假手。

具体实施方式

在附图中示出了发明的几个实施例，附图示出的是：

图1是一个本发明的、具有比例速度调节装置和比例抓力调节装置的系统的工作原理的程序框图，

图2是进行比例速度调节作业的调节回路，

图3是进行比例抓力调节作业的调节回路，

图4是一个生成PWM的定时器中断程序。

按照图1，两个电极信号被测量、平均并被输往一个联锁装置，该联锁装置对信号与在内部调好的开关阀值进行比较并释放相应的电机方向。一个其开关点位于一自动变速器的转换点之上的机械式抓力开关把系统分成两个调节回路。如果没有达到开关点，则系统以比例速度调节方式工作(图2)；当超越开关点时，则转换到比例抓力调节(图3)。

在进行比例速度调节的情况下，抓力开关被断开；按照图1，借助一个表，优选的电极电压被转换为一个转速额定值。相应的表值是随后的比例积分调节器(PI调节器)用的额定值(额定转速)。通过表变换的这一方式能够进行与一个确定的电极信号-转速特性的匹配(比例性)。此间用一个表计值具有很大优点，即通过表值的转换可简单地消隐输入信号的小的干扰并可同时产生独有的特性。

现在形成的额定值与电机的被测出的实际转速比较并作为调差被输往一个PI调节器。电机转速在PWM空位中作为反馈的发生器电压被测量。在PI调节器中，调节误差按照调整了的参数被转换成一个PWM信号并用以控制电机电桥。

调节回路据此闭合。电机现在以一个与实际的电极电压成比例的转速转动。

测出的电机实际电流值在一个叠加的控制回路中与一个电流最大值比较。当超过该电流最大值时(手沿张开的方向伸展直至碰到挡块为止)，PI调节器和电机电桥被断路。

如果通过超过调好的抓力而使抓力开关动作，则实现向比例抓力调节的转换。抓力的建立是逐步完成的，其中，最大的抓力是分级的。实际的电极电压相当于一个确定的级数。一个程序内部的计数器开始数两个表(PWM值和附属于此的断电值)，由计数器读数0读至由实际的电极电压给定的级数。由计数器选择的PWM值被输出。与此同时，电极的电流被测量并与与PWM值等效的断电值比较。当达到该断电值时，计数器增加1并且下一个PWM值被输出。

连续输出增大的PWM值和断电值相当于成比例地建立抓力。

如果计数器达到由电极给定的级数，则达到了给定的抓力；电机被断路。电极电压的幅度被存储并被定为或许再次手抓的开关阀值。为此，必须相应增强肌肉的张紧程度，以便超过这一开关阀值。

为了能快速取得最大抓力，计数器读数在给定的开关阀值被电极电压超过时不被置为零，而是被置到一个较高的表值。据此，可在最短时间内达到最大抓力并且电机被断路。

如果在建立手的抓力时，一个在内部调好的最大电流值被实际的电机电流值所超过，则电机同样被断路。

下面对图2至4做具体说明：

对于图2：

·两个通过肌肉活动产生的电信号(肌肉信号)经过趋肤电极被接收、放大、滤波、整流并作为信号E1和E2到达电路。

·经AD1和AD2进行摸拟数字变换(8位)。

·值经过平均值形成器(平均)到达一个锁定机构(锁)。

·平均：

任务：只通过被累加值的半数除，形成平均值并扩大范围。

执行：128测量值/64＝数字值

·锁：

任务：选择活性的信号，锁住非活性的信号。

执行：

静止：如果A和B均不是活性的，则等待，直至两个之中的一个超过

      接通阀值为止。为了两个方向手张开/手闭合的接通阀值是不同

      的：

手张开：存在一个固定给定的接通阀值μ接通-张开。

手闭合：存在一个可变的接通阀值μ接通-闭合，其值可受到与电流(力)成

      比例的工作方式的影响。

活性：如果两个信号之一超过了接通阀值，则该信号作为活性的信号，

      直至该信号落入固定给定的断开阀值μ断开之中并再次出现“静

      止”状态。在“活性”时间内，非活性的信号被截止。

·如果A和B均不是活性的(“静止”状态)则定时器中断(TIR)经过分支“停”被截止(TIR被锁往)，这意味着，PWM的生成受到阻止。

·如果两个信号之一是活性的，则信号值被用做一个表(V表)的指针，该表包含一个相对于每个信号值的电机额定转速值。

·该额定转速作为向PI调节器的输入参数。

·PI调节器：

由经过AD3转换了的电机实际转速和额定转速形成差值(e)。比例部分：P    e*V  (V＝比例放大)积分部分：I    

(f＝增益系数)输出值K：

K是一个数字值，该数字值相当于PWM生成时的一个确定的工作比。

·PWM限止：

系统限定，调节器输出端(K值)向上和向下受到限止，以便保障调节的完美无缺的功能。

·TIR未被锁住：

A或B是活性的并且PWM工作比值被形成(K)。TIR现在就可被释放(TIR未被锁住)。

·电机电流：

电机电流经AD4被模拟/数字转换并在平均中被滤波到I/4。

对电机电流进行持续检查，看是否达到系统限定的电流常数I最大。

如果该电流最大值被电机电流超过，则TIR被截止(TIR被锁住)。

对于图3：

转换到这种工作方式是通过一个开关(抓力开关)进行的，通过其结构，该开关自某一力阀起通知取数(S＝1)。

在这种状态下的程序应建立电极信号和抓力之间的一种比例性。

·B值：

由于力的建立只在手闭合时进行，所以信号B(手闭合)被作为整个程序的基准。

·对各个开始点和时间值的说明：

0……抓力开关接通(S＝1)

1……60毫秒间隔(固定)

2……来自PWM表的第一个值被取得并在100毫秒内被输出3.1……

电流I实际被测量并与I_额定(来自I_额定表)比较：

a)I_实际＞I_额定：TIR被截止

b)I_实际＜I_额定：在以后的最多100毫秒内测量I_实际。如果在这段时间内

没有出现a)所描述的情况，则在这100毫秒后TIR被截止

3.2……在与I_额定无关的情况下，I_实际与I_最大比较。如果超过I最大，则

       TIR被断路(TIR被锁住)，便防止“继续打气”。该状态只有通过

       信号A(手张开)的活化得到解锁。

4……表指针被增量(两个表中的值的编号由1至18)。如果表指针和B

       指到同一表中编号，则达到了所要求的抓力并且TIR可被截止。

       如果尚达不到该状态，则在1……处继续。如果达到了该状态，

       则B被存储并用作锁处的新的接通阀值。据此，手保持在该(抓

       持)状态中并且只有通过：信号A(手张开)的活化，用以减少抓力

       或

用一个比先前存储的B值更高的B值(新的接通阀值)使信号B(手闭合)活化，用以增加抓力才能脱离这一位置。

如果通过猛烈的肌肉收缩(相当于想快而大力的抓)给出超过1.2伏的电极信号B(相当于一个＞18的表中编号)，则表指针不是斜面式地升高到相应的值，而是马上置到表中编号13，但其条件在于，表指针在信号B的活化时间点处于表中编号13之下。

对于图4：

如果释放TIR所需的条件得到满足，则该8位定时器在由255到0的过渡中触发一个中断，然后跳入为生成PWM服务的定时器中断程序。

·Reg.save[1]：

由于主程序在一个不可限定的位置(只与定时器走完有关)被中断，所

以处于工作中的值必须被存储。

·通道选择/转换[2]：

检查出两个信号A或B中哪一个是活性的，以便确定电机的实际方

向。然后对到属时被输出的电机信号进行转换。

·t_接通/t_断路[3]：

检查在形成PWM时是处于“电机_接通”状态还是处于“电机_断电”状态。

相应地由K算出接通时间(t_接通)值或断电时间t_断电值。·t-＞定时器[4]：

在[3]中算出的时间值被装入定时器内并且该定时器起动，这得出实际

的工作比。·Reg.recall[5]：

开始被存储的值被再次活化并且主程序得到继续。

Claims (5)

1.用肌肉电比例控制一个电机操纵的假肢的方法，其中，测量当时出现的电极信号的电压并将其输往一个控制装置，其特征在于，所述电极信号被测量、平均并被输往一个联锁装置，而所测出的和被锁住的电极信号被输往一个控制电路，并且一个抓力开关把控制方法分为比例速度调节和比例抓力调节，如果电极信号没有达到一个位于一个自动变速器的转换点之上的开关点，则该方法以比例速度调节方式工作，但在超过开关点时，该方法以比例抓力调节方式工作，其步骤包括：

a)进行比例速度调节，从不同的、涉及驱动电机的、分别通过一个确定的电极电压限定的转速额定值中得出配属于当时被测出的电极电压的转速额定值，

b)该转速额定值与被测出的电机实际转速比较并作为调节误差被输往一个比例积分调节器，

c)在比例积分调节器中，调节误差按照调整了的参数被转换成一个脉冲宽度调制信号并用以控制驱动电机，据此，驱动电机得到一个与电极的实际电压成比例的转速，

d)测量驱动电机的当时的实际电流值并使其与一个给定的电流最大值比较，在超过该给定的电流最大值的情况下，比例积分调节器被断路，

e)进行比例抓力调节，抓力的建立是逐步进行的，

f)最大的抓力分为等级，其中，实际的电极电压相当于一个确定的级数，

g)一个确定的脉冲宽度调制值和一个附属于此的断电值配属于每个等级，

h)由计数器读数0一直数到由实际的电极电压给定的级数，被计数器当时选定的脉冲宽度调制值连同与脉冲宽度调制值等效的断电值被输出，

i)与此同时，驱动电机的电流被测量并与当时输出的断电值比较，

j)当达到该断电值时，计算器将增加1，下一个脉冲宽度调制值被输出，

k)当计数器达到由电极实际电压给定的级数时，就达到了给定的抓力，驱动电机被断路，

l)驱动电机的当时实际电流值被测量并与一个给定的电流最大值比较，当超过该电流最大值时，驱动电机同样被断路。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，在达到给定的抓力时，电极实际电压的幅度被存储并被定为再次手抓的开关阀值。

3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为了能快速取得最大抓力，计数器读数在给定的开关阀值被电极电压超过时不是被置到零，而是被置到一个较高的表值。

4.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，两个电极信号被测量、平均并被输往一个联锁装置，在该联锁装置中，电极信号与在内部调好的开关阀值进行比较并且相应的电机方向被释放。

5.按照权利要求1所述的方法，其中，所述的假肢是假手。

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