CN112828882B - 一种分布式外肢体手指机器人控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种分布式外肢体手指机器人控制系统，所述中央处理及信息引导单元、脑电采集处理单元、肌电采集处理单元和机器人控制单元相互独立设置。本发明中，每个单元内置电池和无线模块。外肢体手指机器人控制系统所需的功能由各单元分别执行，整体可以放置在衣服的不同口袋中或者随身携带的书包里，具有集成度高、体积小巧、便携可穿戴的特点，各单元间采用无线、蓝牙等无线通信的方式进行数据传输，消除了穿戴外肢体手指机器人时线材杂乱的困扰，使穿戴者在日常生活中使用外肢体手指机器人更加方便。解决了外肢体手指机器人控制系统集成度较低，可穿戴性不强，便携性不高，控制设备体积庞大的问题。

Description

一种分布式外肢体手指机器人控制系统
技术领域
本发明属于康复上肢外肢体控制系统技术领域，尤其是涉及一种分布式外肢体手指机器人控制系统。
背景技术
在康复领域中，传统的机器人辅助疗法包括假肢和外骨骼，长期使用后会对软组织和关节产生压缩力等一些负面影响，外肢体作为一种新兴的生机电一体化机器人，其不同于外骨骼和假肢，可以在不取代自然肢体前提下，通过增加可穿戴式机械手臂或手指来提高人类能力或辅助患者康复。
在患者康复过程中，外肢体手指被应用于帮助脑卒中患者抓握以及上肢康复训练。在抓取阶段，患者佩戴外肢体手指，并通过肌电或者脑电作为触发信号引发外肢体手指相对本体手发生弯曲，从而辅助患者完成抓握。现有的外肢体中，系统集成度较低，且可穿戴性不强，便携性不高，往往需要较为大型的采集设备和控制装置。为使外肢体手指机器人穿戴更加舒适，在日常使用中更加便携，研制一种新型的分布式外肢体手指机器人控制系统显得十分必要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供由多个独立的单元构成的一种分布式外肢体手指机器人控制系统。每个单元小型化且方便携带，可以放置在衣服的口袋或者随身的书包中，整体集成度高、体积小巧、便携可穿戴。
本发明采取的技术方案是：
一种分布式外肢体手指机器人控制系统，其特征在于：包括中央处理及信息引导单元、脑电采集处理单元、肌电采集处理单元和机器人控制单元，所述中央处理及信息引导单元、脑电采集处理单元、肌电采集处理单元和机器人控制单元相互独立设置；
所述中央处理及信息引导单元与脑电采集处理单元、肌电采集处理单元和机器人控制单元通过无线方式进行通讯；所述脑电采集处理单元连接脑电帽模块，所述肌电采集处理单元连接电极片模块，所述机器人控制单元连接电机模块。
再有，所述机器人控制单元连接力传感器模块和触摸传感器模块。
再有，所述中央处理及信息引导单元通过无线方式与一感知反馈单元连接，该感知反馈单元连接电刺激模块。
再有，所述中央处理及信息引导单元包括处理器模块、按键模块、显示屏模块和无线模块，处理器模块分别与按键模块、显示屏模块和无线模块连接，无线模块通过无线方式与脑电采集处理单元、肌电采集处理单元、机器人控制单元和感知反馈单元连接。
再有，所述脑电采集处理单元包括处理器模块、脑电放大器模块和无线模块，处理器模块分别与脑电放大器模块和无线模块连接，无线模块通过无线方式与所述中央处理及信息引导单元连接，脑电放大器模块连接所述脑电帽模块。
再有，所述肌电采集处理单元包括处理器模块、肌电传感器模块和无线模块，处理器模块分别与肌电传感器模块和无线模块连接，无线模块通过无线方式与所述中央处理及信息引导单元连接，肌电传感器模块连接所述电极片模块。
再有，所述机器人控制单元包括处理器模块、电机驱动器模块和无线模块，处理器模块分别与电机驱动器模块和无线模块连接，无线模块通过无线方式与所述中央处理及信息引导单元连接，电机驱动器模块连接所述电机模块。
再有，所述感知反馈单元包括处理器模块、电刺激处理模块、按键模块和无线模块，处理器模块分别与电刺激处理模块、按键模块和无线模块，无线模块通过无线方式与所述中央处理及信息引导单元连接，电刺激处理模块连接所述电刺激模块。
再有，每个单元设置在对应的壳体内，在壳体内设置有用于供电的电池模块。
本发明的优点和积极效果是：
本发明中，在相互独立的壳体内分别设置中央处理及信息引导单元、脑电采集处理单元、肌电采集处理单元、机器人控制单元和感知反馈单元，每个单元内置电池和无线模块。外肢体手指机器人控制系统所需的功能由各单元分别执行，整体可以放置在衣服的不同口袋中或者随身携带的书包里，具有集成度高、体积小巧、便携可穿戴的特点，各单元间采用无线、蓝牙等无线通信的方式进行数据传输，消除了穿戴外肢体手指机器人时线材杂乱的困扰，使穿戴者在日常生活中使用外肢体手指机器人更加方便。解决了外肢体手指机器人控制系统集成度较低，可穿戴性不强，便携性不高，控制设备体积庞大的问题。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是外肢体手指机器人抓握时的结构示意图；
图3是图1的控制原理图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明进一步说明，下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。
一种分布式外肢体手指机器人控制系统，如图1、2、3所示，本发明的创新在于：包括中央处理及信息引导单元1和6、脑电采集处理单元4、肌电采集处理单元5和机器人控制单元7，所述中央处理及信息引导单元、脑电采集处理单元、肌电采集处理单元和机器人控制单元如图1所示的相互独立设置，既每个单元设置在不同的壳体内。
所述中央处理及信息引导单元与脑电采集处理单元、肌电采集处理单元和机器人控制单元通过无线方式进行通讯；所述脑电采集处理单元连接脑电帽模块，所述肌电采集处理单元连接电极片模块，所述机器人控制单元连接电机模块。所述机器人控制单元连接力传感器模块和触摸传感器模块。所述中央处理及信息引导单元通过无线方式与一感知反馈单元8连接，该感知反馈单元连接电刺激模块。
所述中央处理及信息引导单元包括处理器模块、按键模块、显示屏模块和无线模块，处理器模块分别与按键模块3、显示屏模块2和无线模块连接，无线模块通过无线方式与脑电采集处理单元、肌电采集处理单元、机器人控制单元和感知反馈单元连接。如图1所示，中央处理及信息引导单元实际上分成两部分，按键模块和显示屏模块装在单独的壳体上，处理器模块、无线模块装在另外一个壳体内，二者可以通过线缆连接，这样可以保证显示屏和按键有足够的操作空间。
所述脑电采集处理单元包括处理器模块、脑电放大器模块和无线模块，处理器模块分别与脑电放大器模块和无线模块连接，无线模块通过无线方式与所述中央处理及信息引导单元连接，脑电放大器模块连接所述脑电帽模块。脑电采集通过8导电极帽采集穿戴者的脑电信号。
所述肌电采集处理单元包括处理器模块、肌电传感器模块和无线模块，处理器模块分别与肌电传感器模块和无线模块连接，无线模块通过无线方式与所述中央处理及信息引导单元连接，肌电传感器模块连接所述电极片模块。肌电采集的目标肌肉为穿戴者的额肌，采样率为1000Hz，使用滑动窗对采集到的肌电信号进行平滑滤波，窗口大小为128个采样点，滑动步长为8个采样点。
所述机器人控制单元包括处理器模块、电机驱动器模块和无线模块，处理器模块分别与电机驱动器模块和无线模块连接，无线模块通过无线方式与所述中央处理及信息引导单元连接，电机驱动器模块连接所述电机模块15。
所述感知反馈单元包括处理器模块、电刺激处理模块、按键模块和无线模块，处理器模块分别与电刺激处理模块、按键模块和无线模块，无线模块通过无线方式与所述中央处理及信息引导单元连接，电刺激处理模块连接所述电刺激模块。
每个单元设置在对应的壳体内，在壳体内设置有用于供电的电池模块。
电机模块如图2所示，电机模块安装在基板12上，基板通过绑带13套在手腕14上，电机模块控制外肢体手指16动作。外肢体手指与手指10和手掌11完成球9的抓握过程。上述无线模块可以使用无线传输方式或蓝牙传输方式，优选为蓝牙传输方式，中央处理及信息引导单元为蓝牙主机，其他单元为蓝牙从机。
中央处理及信息引导单元用于与系统内其他单元进行通信，综合分析脑电和肌电信号处理结果后向机器人控制单元和感知反馈单元发送控制指令，并具有人机交互界面，可供使用者调整系统参数，了解系统当前状态。通过中央处理及信息引导单元的显示屏和按键与系统进行人机交互，进行暂停、复位、模式确认、额肌校准、手动操作外肢体手指和调试感知反馈电刺激等操作。
脑电采集处理单元用于采集穿戴的脑电帽模块采集的脑电信号，分析其运动意图，并将结果发送至中央处理及信息引导单元，作为触发外肢体手指机器人运动的条件之一。
肌电采集处理单元用于采集穿戴的电极片模块的肌电信号，分析其肌肉激活情况，并将结果发送至中央处理及信息引导单元，作为触发外肢体手指机器人运动的条件之一。
机器人控制单元用于外肢体手指的运动控制，根据中央处理及信息引导单元发送的指令控制外肢体手指的运动，外肢体手指运动根据不同应用场景分为抓握和对指两种模式。
感知反馈单元用于向穿戴者施加电刺激作为感知反馈，根据中央处理及信息引导单元发送的指令向穿戴者施加电刺激来模拟抓握时的触觉，通过改变电刺激的频率可产生5种等级的压力感觉。
本发明中，在相互独立的壳体内分别设置中央处理及信息引导单元、脑电采集处理单元、肌电采集处理单元、机器人控制单元和感知反馈单元，每个单元内置电池和无线模块。外肢体手指机器人控制系统所需的功能由各单元分别执行，整体可以放置在衣服的不同口袋中或者随身携带的书包里，具有集成度高、体积小巧、便携可穿戴的特点，各单元间采用无线、蓝牙等无线通信的方式进行数据传输，消除了穿戴外肢体手指机器人时线材杂乱的困扰，使穿戴者在日常生活中使用外肢体手指机器人更加方便。解决了外肢体手指机器人控制系统集成度较低，可穿戴性不强，便携性不高，控制设备体积庞大的问题。

Claims (8)

1.一种分布式外肢体手指机器人控制系统，其特征在于：所述的外肢体手指机器人包括基板(12)、绑带(13)、电机模块(15)和外肢体手指(16)；基板(12)通过绑带(13)套在手腕(14)上，电机模块(15)控制外肢体手指(16)动作；
所述的外肢体手指机器人控制系统包括中央处理及信息引导单元、脑电采集处理单元、肌电采集处理单元和机器人控制单元，所述中央处理及信息引导单元、脑电采集处理单元、肌电采集处理单元和机器人控制单元相互独立设置；
所述中央处理及信息引导单元与脑电采集处理单元、肌电采集处理单元和机器人控制单元通过无线方式进行通讯；所述脑电采集处理单元连接脑电帽模块，所述肌电采集处理单元连接电极片模块，肌电采集的目标肌肉为穿戴者的额肌，所述机器人控制单元连接电机模块；所述中央处理及信息引导单元通过无线方式与一感知反馈单元连接，该感知反馈单元连接电刺激模块。
2.根据权利要求1所述的一种分布式外肢体手指机器人控制系统，其特征在于：所述机器人控制单元连接力传感器模块和触摸传感器模块。
3.根据权利要求2所述的一种分布式外肢体手指机器人控制系统，其特征在于：所述中央处理及信息引导单元包括处理器模块、按键模块、显示屏模块和无线模块，处理器模块分别与按键模块、显示屏模块和无线模块连接，无线模块通过无线方式与脑电采集处理单元、肌电采集处理单元、机器人控制单元和感知反馈单元连接。
4.根据权利要求3所述的一种分布式外肢体手指机器人控制系统，其特征在于：所述脑电采集处理单元包括处理器模块、脑电放大器模块和无线模块，处理器模块分别与脑电放大器模块和无线模块连接，无线模块通过无线方式与所述中央处理及信息引导单元连接，脑电放大器模块连接所述脑电帽模块。
5.根据权利要求4所述的一种分布式外肢体手指机器人控制系统，其特征在于：所述肌电采集处理单元包括处理器模块、肌电传感器模块和无线模块，处理器模块分别与肌电传感器模块和无线模块连接，无线模块通过无线方式与所述中央处理及信息引导单元连接，肌电传感器模块连接所述电极片模块。
6.根据权利要求3所述的一种分布式外肢体手指机器人控制系统，其特征在于：所述机器人控制单元包括处理器模块、电机驱动器模块和无线模块，处理器模块分别与电机驱动器模块和无线模块连接，无线模块通过无线方式与所述中央处理及信息引导单元连接，电机驱动器模块连接所述电机模块。
7.根据权利要求3所述的一种分布式外肢体手指机器人控制系统，其特征在于：所述感知反馈单元包括处理器模块、电刺激处理模块、按键模块和无线模块，处理器模块分别与电刺激处理模块、按键模块和无线模块，无线模块通过无线方式与所述中央处理及信息引导单元连接，电刺激处理模块连接所述电刺激模块。
8.根据权利要求1或2或4或5或6或7所述的一种分布式外肢体手指机器人控制系统，其特征在于：每个单元设置在对应的壳体内，在壳体内设置有用于供电的电池模块。
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