CN113456433B - 电信号采集器及人机交互界面型外骨骼康复系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电信号采集器，其包括基底，钼金属导电材料，溅射在基底上，使基底具有导电性能；多维电导传感器，集成设置在基底的上表面，与钼金属导电材料连接，用于采集神经生物电信号。本发明还涉及一种人机交互界面型外骨骼康复系统，其包括电信号采集器，电信号采集器固定设置在神经断端的上游；还包括计算机，经缓降解型导线与电信号采集器连接，用于将接收到的神经生物电信号进行二级放大，并将神经生物电信号翻译成机械电信号；机械性动能单元，接收计算机传输至的二级放大后的机械电信号，由该机械电信号控制动作。本发明具有良好的人机交互性，精准的识别及提取外周神经的电信号；可以广泛在可穿戴传感器领域应用。
Description
技术领域
本发明涉及可穿戴传感器领域，特别是关于一种电信号采集器及基于周围神经电信号的人机交互界面型外骨骼康复系统。
背景技术
外骨骼机器人是穿戴在人体身上、旨在代替受损的肢体完成活动并促进失去功能的肢体再次康复的机械设备。它是一种特殊的机器人，需要和人一起完成任务，所以相较于普通的机器人更需要关注其人机交互的能力。外骨骼的人机交互很重要的一个方面是外骨骼和人连接的物理界面。这种界面可以为物理压感式或电感传导式，现有的物理压感传感器普遍存在测量精度不高、只能测量体表动作带来的机械信号的缺点。而电信号传感器敏感度高，但需植入外源电感装置，而这种电感装置需要二次手术进行取出，并且造成的创伤较大。因此在保证测量精度及敏感度的前提，制造一种可吸收性周围神经人机交互界面尤其必要。在周围神经的生物电信号导出后仍无法直接应用于外骨骼的机械控制，需要经过计算机进行解码，将生物电信号翻译成机械电信号，并进行扩大输出，因此电信号的转码及扩大输出仍时有待解决的困难之一。
人体由软体组织包围，无法用传统的刚体连接方式来固定人体和外骨骼。现在市面上的外骨骼一般采用柔性衬套、尼龙粘合带或尼龙扣带来连接人和外骨骼。这些连接方式需要一定的夹持力或绑定力来增加连接稳定性，而这些力是系统外力，对外骨骼的自适应助力活动没有帮助，却会使人体表面受到的压力增加。可见在连接实用性和人体穿戴舒适度上存在一定的矛盾，所以需要针对人体的结构进行特殊的设计，使其能够在尽量小的夹持力或绑定力的前提下保证可靠的连接。
以上肢外骨骼为例，上肢外骨骼主要在手部与人体连接，而手部正面有着人体最精细的肌肉群，这些肌肉缺乏丰富的皮下脂肪以及其他软组织，所以外骨骼无法采用直绑式结构，以避免压迫血管造成远端软组织缺血，只能采用低压力的手套式结构。因为肌肉组织在收缩时会产生明显的形变，组织刚度也会发生变化，而人在手部弯曲时，前臂肌肉群都处于参与状态，所以前臂的形态和表面刚度有一个动态的变化过程，想要让这种柔性外骨骼更好的适应不同肌肉刚度下目标弯曲度，则需要电导传感器不停学习每个人的手部活动习惯以匹配健康手来完成更为复杂的动作。
由此可知，如何将外周神经的电信号输出进行精准的识别及提取成为目前亟需解决的技术问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种电信号采集器及基于周围神经电信号的人机交互界面型外骨骼康复系统，其具有良好的人机交互性，精准的识别及提取外周神经的电信号。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种电信号采集器，其包括：基底；导电层，由导电材料溅射在所述基底上制成，使所述基底具有导电性能；多维电导传感器，集成设置在所述基底的上表面，与所述导电层连接，用于采集神经生物电信号。
进一步，将设置有所述多维电导传感器和所述导电层的所述基底制成套筒状结构。
进一步，所述基底采用可吸收的丝素蛋白薄膜制成。
进一步，所述多维电导传感器设置有若干个，呈网状均匀密布在所述基底上，并均与所述导电层连接；所述多维电导传感器设置的密度能采集到充足的神经生物电信号并形成一级放大效应。
一种人机交互界面型外骨骼康复系统，其包括上述电信号采集器，所述电信号采集器固定设置在神经断端的上游；还包括：计算机，经缓降解型导线与所述电信号采集器连接，用于将接收到的神经生物电信号进行二级放大，并将神经生物电信号翻译成机械电信号；机械性动能单元，接收所述计算机传输至的二级放大后的机械电信号，由该机械电信号控制动作。
进一步，所述缓降解型导线采用导电性碳纳米管制成。
进一步，所述缓降解型导线的直径根据综合硬度及传输效率需求进行设置。
进一步，所述计算机通过可穿戴结构设置在待康复对象上。
进一步，所述机械性动能单元套设在待康复部位，其上设置有：信息输入端口，用于接收经所述计算机翻译后的机械电信号；电刺激装置，分布于不同靶肌肉表面，用于接收所述信息输入端口传输至的机械电信号，使相应肢体被活动的同时给予相应肌肉电刺激，以维持失神经后靶肌肉的活性。
进一步，所述机械性动能单元上还设置有供电端口，用于与外部电源连接，为所述机械性动能单元供电。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明利用可吸收丝素蛋白薄膜作为基底，经钼材料采用电子溅射工艺制成可吸收神经电信号采集器单元作为接收周围电信号的人机界面的柔性装置，通过外接碳纳米材料制成的可吸收导电纤维传递信号至计算机，计算机能够准确感知并翻译生物电信号为机械电信号，使其准确的控制柔性外骨骼，并为装载于外骨骼上的反馈电刺激器提供信号源。
2、本发明能将外周神经的电信号输出进行精准的识别及提取，通过可降解导线引入计算机进行翻译并扩大信号，将扩大的信号传递到柔性外骨骼。
3、本发明的周围神经电传感器引入了人机协同机制，通过生物电与机械电的结合，不仅能够精确识别神经的信息，而且可以通过转码翻译得到控制柔性外骨骼所需的信号，使得该系统具有良好的人机交互性。
4、本发明的多维电导传感器采用可吸收金属材料，是一种生物相容性传感器，不仅穿戴舒适，而且对人体无毒，表面的密集性传感器刺状结构能够对神经上游产生牢固地抓持力。符合接触神经的不规则曲面，有一定的形变空间满足不同神经直径大小的变化，不仅接收周围神经生物电信号，也能根据微弱的电信号进行一级放大。
5、本发明的柔性外骨骼传感器采用附带电刺激的结构，解决了传统柔性外骨骼无法反馈刺激肌肉神经的问题。
6、本发明的外骨骼电刺激器采用大面积分区法作为制作方式，解决了制作传统外接电刺激不精确，电压控制不稳定的问题，具有制作工艺简单、成本低的特点。
7、本发明采用计算机翻译功能，解决了传统传感器只是被动的测量体表肌肉力量大小而不能对肌肉受损但神经尚未受损信号的测量问题。而且，本发明可以在人体功能康复过程中，根据神经的康复动态变化进行反馈性刺激。
附图说明
图1是本发明一实施例中的可吸收神经电信号采集器示意图；
图2是本发明一实施例中的周围神经电信号人机交互界面的结构示意图；
图3是本发明一实施例中的外骨骼结构示意图；
图中：10-电信号采集器、11-基底、12-导电层、13-多维电导传感器；20-计算机、21-绑带；30-缓降解型导线；40-机械性动能单元、41-信息输入端口、42-电刺激装置、43-供电端口；50-神经、51-断端。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本发明公开了一种周围神经电信号采集器10及其自适应柔性外骨骼组成的人机交互界面型外骨骼康复系统，人机接口型神经信号采集器包括依次首尾相连的可吸收神经电信号采集器10、缓降解型导线30、将生物电信号转化机械电信号的计算机20，导线和绑带，共同构成信号导出结构；其中可吸收型神经电信号采集器10由可吸收丝素蛋白薄膜作为基底11经钼材料经电子溅射工艺制成，套筒状材料内表面集成若干多维电导传感器13，可接收上游神经的电信号并传递给计算机20进行信号转码及扩大处理。体外导线连接柔性外骨骼，由输入信号控制的外骨骼可准确判断信号源并实现神经损伤远端肢体的被动、自由活动。本发明具有良好的人机交互性，精准的识别及提取外周神经的电信号。
在本发明的一个实施例中，如图1所示，提供电信号采集器10，其包括：
基底11；
导电层12，由导电材料溅射在基底11上制成，使基底11具有导电性能；
优选的，在本实施例中，采用钼金属导电材料溅射在基底11上制成导电层12；
多维电导传感器13，集成设置在基底11的上表面，与导电层12连接，用于采集神经生物电信号。
上述实施例中，将设置有多维电导传感器13和导电层2的基底11制成套筒状结构。
上述实施例中，基底11采用可吸收的丝素蛋白薄膜制成。
上述实施例中，多维电导传感器13设置有若干个，呈网状均匀密布在基底11上，并均与导电层12连接；多维电导传感器13设置的密度能采集到充足的神经生物电信号并形成一级放大效应。
在本实施例中，以丝素蛋白薄膜作为基底11，上层喷射钼金属作为导电层12，上部连接有密集多维电导传感器13，呈网状排列，并通过可吸收碳纳米导线连接在钼金属导电层12。
使用时，本实施例中的电信号采集器10具有生物相容性，缓慢降解性，较低的生物毒性及较高的敏感性。
多维电导传感器13采用可低电阻的生物相容性材料，降解周期接近周围神经的再生周期，这样既可以满足采集信号传出的作用，又可以在神经再生发挥功能之前尽可能使反馈系统存在，并与外部的信号转化系统相连接，以达到更好的促进康复效果。
在本发明的一个实施例中，如图2、图3所示，提供一种基于周围神经电信号的人机交互界面型外骨骼康复系统，其包括上述实施例中提供的电信号采集器10，该电信号采集器10固定设置在神经断端的上游，可不受损伤区神经传导的衰减影响。本实施例中，康复系统还包括：
计算机20，经缓降解型导线30与电信号采集器10连接，用于将接收到的神经生物电信号进行二级放大，并将神经生物电信号翻译成机械电信号；
机械性动能单元40，接收计算机20传输至的二级放大后的机械电信号，由该机械电信号控制动作。
上述实施例中，电信号采集器10可采用缝合或套扎等多种固定方式固定于神经50断端51的上游(如图2所示)。若损伤区域为多神经损伤，则可同时安装多个电信号采集器10以分别采集不同神经来源的信号；使用时，电信号采集器10采集的信号来源神经分束越细，远端外骨骼康复系统能做出的动作越精细。
上述实施例中，缓降解型导线30采用导电性碳纳米管制成。缓降解型导线30的直径根据综合硬度及传输效率需求进行设置。
导电性碳纳米管具有无毒、可降解的特性；在本实施例中，缓降解型导线30的直径在综合硬度及传输效率需求设置在1～2mm之间，如能开发导电性更高的生物相容性材料，则可进一步缩小导线直径，已达到更好的效果。
上述实施例中，计算机20通过可穿戴结构设置在待康复对象上。在本实施例中，可穿戴结构可以采用绑带21，如图2所示。其中，计算机20将神经生物电信号翻译成机械电信号的方法采用已有方法即可，在本实施例中，对相应的翻译方法不做限定。
上述实施例中，机械性动能单元40套设在待康复部位，其上设置有：
信息输入端口41，用于接收经计算机20翻译后的机械电信号；
电刺激装置42，分布于不同靶肌肉表面，用于接收信息输入端口41传输至的机械电信号，使相应肢体被活动的同时给予相应肌肉电刺激，以维持失神经后靶肌肉的活性，减缓神经肌肉接头的萎缩速度，在再生神经重新支配靶肌肉前保留尽可能多的神经突触。
使用时，电刺激装置42覆盖面积应足够大，例如对手部进行康复时应覆盖手部所有肌肉群，这样可以对不同神经损伤所控制的肌肉区进行精确的电刺激，以促进康复。机械性动能单元40接收经计算机20翻译后的机械电信号，并精准的对相应肢体进行被动活动，并同时对外周损伤的神经进行局部电刺激，以促进周围神经康复。
在本实施例中，机械性动能单元40采用自适应柔性外骨骼，例如，如图3所示，对手部进行康复训练时，采用手套状结构的自适应柔性外骨骼穿戴在手部。
上述实施例中，机械性动能单元40上还设置有供电端口43，通过电源线用于与外部电源连接，为机械性动能单元40供电。
优选的，信息输入端口41和供电端口43都采用耐磨及轻便材料制成，以提高其便携性。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (4)
1.一种人机交互界面型外骨骼康复系统，其特征在于，包括；
电信号采集器，环套固定设置在神经断端的上游；包括基底（11）、导电层（12）、多维电导传感器（13）；
所述基底（11）采用可吸收的丝素蛋白薄膜制成；
所述导电层（12），由可吸收金属导电材料溅射在所述基底（11）上制成，使所述基底（11）具有导电性能；
所述多维电导传感器（13），集成设置在所述基底（11）的上表面，与所述导电层（12）连接，用于采集神经生物电信号；
所述多维电导传感器（13）设置有若干个，呈网状均匀密布在所述基底（11）上，并均与所述导电层（12）连接；所述多维电导传感器（13）设置的密度能采集到充足的神经生物电信号并形成一级放大效应；
计算机（20），经缓降解型导线（30）与所述电信号采集器连接，用于将接收到的神经生物电信号进行二级放大，并将神经生物电信号翻译成机械电信号，通过可穿戴结构设置在待康复对象上；
机械性动能单元（40），接收所述计算机（20）传输至的二级放大后的机械电信号，由该机械电信号控制动作；
所述机械性动能单元（40）套设在待康复部位，其上设置有：
信息输入端口（41），用于接收经所述计算机（20）翻译后的机械电信号；
电刺激装置（42），分布于不同靶肌肉表面，用于接收所述信息输入端口（41）传输至的机械电信号，使相应肢体被活动的同时给予相应肌肉电刺激，以维持失神经后靶肌肉的活性。
2.如权利要求1所述康复系统，其特征在于，所述缓降解型导线（30）采用导电性碳纳米管制成。
3.如权利要求2所述康复系统，其特征在于，所述缓降解型导线（30）的直径根据综合硬度及传输效率需求进行设置。
4.如权利要求1所述康复系统，其特征在于，所述机械性动能单元（40）上还设置有供电端口（43），用于与外部电源连接，为所述机械性动能单元（40）供电。
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