CN114224578A - 一种用于假肢测试的半实物仿真测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于假肢测试的半实物仿真测试系统及方法，用于假肢测试的半实物仿真测试系统包括：肌电信号采集模块，用于产生仿真肌电信号；假肢模块，所述假肢模块与所述肌电信号采集模块连接，所述假肢模块用于根据所述仿真肌电信号完成指定动作。本发明通过肌电信号采集模块来模拟产生仿真肌电信号，并通过仿真肌电信号来驱动假肢模块完成指定动作，以实现假肢性能的测试，无需重复采集患者的肌电信号，在提高测试效率的同时，避免了给患者身体和心理带来困扰的问题。

Description

一种用于假肢测试的半实物仿真测试系统及方法

技术领域

本发明涉及假肢测试技术领域，尤其涉及的是一种用于假肢测试的半实物仿真测试系统及方法。

背景技术

据统计数据显示，残疾人的数量庞大，亟需一款仿生假肢产品为残疾人重建运动功能，辅助残疾人的日常生活。在生产一款合格的假肢产品前，需对假肢进行无数次的性能测试。现有的假肢性能测试实验需长期重复采集患者的肌电信号，费时费力，给残障人士的身体和心理带来了巨大困扰。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于假肢测试的半实物仿真测试系统及方法，以解决现有的假肢性能测试实验需长期重复采集患者的肌电信号所导致的给残障人士的身体和心理带来困扰的问题。

本发明的技术方案如下：

一种用于假肢测试的半实物仿真测试系统，其包括：

肌电信号采集模块，用于产生仿真肌电信号；

假肢模块，所述假肢模块与所述肌电信号采集模块连接，所述假肢模块用于根据所述仿真肌电信号完成指定动作。

在上述技术方案中，本发明通过肌电信号采集模块来模拟产生仿真肌电信号，并通过仿真肌电信号来驱动假肢模块完成指定动作，以实现假肢性能的测试，无需重复采集患者的肌电信号，在提高测试效率的同时，避免给患者身体和心理带来困扰的问题。

本发明的进一步设置，所述肌电信号采集模块包括：

仿真肌电信号数据存储单元，用于采集并录入肌电信号以建立仿真肌电信号数据库；

信号发生单元，与所述仿真肌电信号数据存储单元连接，所述信号发生单元用于根据所述仿真肌电信号数据存储单元输入的肌电信号产生相应的信号波形；

仿真信号产生单元，与所述信号发生单元连接，所述仿真信号产生单元用于根据所述肌电信号对应的信号波形产生仿真肌电信号。

本发明的进一步设置，所述假肢模块包括：

信号放大单元，与所述仿真肌电信号产生单元连接，所述信号放大单元用于对所述仿真肌电信号进行放大处理；

信号采集处理单元，与所述信号放大单元连接，所述信号采集处理单元用于根据放大后的所述仿真肌电信号发送动作控制指令；

仿生假手，与所述信号采集处理单元连接，所述仿生假手用于根据所述动作控制指令完成指定动作；

其中，所述指定动作包括握拳、张开、拇指弯曲以及食指张开。

本发明的进一步设置，所述信号发生单元为可编程信号发生器。

本发明的进一步设置，所述仿真信号产生单元为信号衰减器；所述仿真肌电信号的电压的幅值为1-1000微伏。

本发明的进一步设置，所述信号放大单元包括：电极与电极夹具，所述电极设置在所述电极夹具上。

基于同样的发明构思，本发明还提供了一种用于假肢测试的半实物仿真测试方法，应用于上述所述的用于假肢测试的半实物仿真测试系统，包括：

通过肌电信号采集模块产生仿真肌电信号；

假肢模块根据所述仿真肌电信号完成指定动作。

本发明的进一步设置，所述通过肌电信号采集模块产生仿真肌电信号的步骤包括：

采集并录入肌电信号，建立仿真信号数据库；

根据所述仿真信号数据库中的肌电信号产生相应的信号波形；

根据所述肌电信号产生的相应的信号波形产生仿真肌电信号。

本发明的进一步设置，所述通过肌电信号采集模块产生仿真肌电信号的步骤还包括：

比较所述肌电信号与所述仿真肌电信号的相似度。

本发明的进一步设置，所述假肢模块根据所述仿真肌电信号完成指定动作的步骤包括：

对所述仿真肌电信号进行放大处理；

根据放大后的所述仿真肌电信号发送动作控制指令至仿生假手；

所述仿生假手根据所述动作控制指令完成指定动作。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是现有的假肢性能测试的原理框图。

图2是本发明中用于假肢测试的半实物仿真测试系统的原理框图。

图3是本发明中假肢模块的实物图。

图4是本发明中用于假肢测试的半实物仿真测试方法的流程示意图。

图5是本发明中采集的肌电信号与仿真肌电信号的结果对比图1。

图6是本发明中采集的肌电信号与仿真肌电信号的结果对比图2。

附图中各标记：100、肌电信号采集模块；101、仿真肌电信号数据存储单元；102、信号发生单元；103、仿真信号产生单元；200、假肢模块；201、信号放大单元；2011、电极；2012、电极夹具；202、信号采集处理单元；203、仿生假手。

具体实施方式

本发明提供一种用于假肢测试的半实物仿真测试系统及方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在实施方式和申请专利范围中，除非文中对于冠词有特别限定，否则“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

经发明人研究发现，现有的假肢性能测试实验需长期重复采集患者的肌电信号，费时费力，给残障人士的身体和心理带来了巨大困扰。并且，如图1所示，现有的假肢性能测试实验通常采用接受腔采集患者的肌电信号，由于真实假肢的接受腔制作复杂，成本较高，不适用于前期性能测试实验。

针对上述技术问题，本发明提供了一种用于假肢测试的半实物仿真测试系统及方法，通过采用肌电信号采集模块采集肌电信号并根据采集的肌电信号模拟产生仿真肌电信号，并通过将采集的肌电信号与产生的仿真肌电信号进行对比，以保证肌电信号采集模块的可靠性与有效性，其后将肌电信号采集模块产生的仿真肌电信号用于假肢模块性能的测试，无需重复采集患者的肌电信号，在提高测试效率的同时，避免给患者身体和心理带来困扰的问题。另外，本发明通过肌电信号采集模块对接受腔进行简化，以模拟真实人体仿真信号用于假肢性能的测试，降低了测试成本。

请同时参阅图2，本发明提供了一种用于假肢测试的半实物仿真测试系统的较佳实施例。

如图2所示，本发明提供的一种用于假肢测试的半实物仿真测试系统，其包括：肌电信号采集模块100与假肢模块200。所述肌电信号采集模块100用于产生仿真肌电信号，所述假肢模块200与所述肌电信号采集模块100连接，并用于根据所述仿真肌电信号完成指定动作。

具体地，所述肌电信号采集模块100通过采集用户的肌电信号以建立仿真肌电信号数据库，以使仿真肌电信号数据库中包含多种手部动作的肌电信号，所述肌电信号采集模块100根据仿真肌电信号库中的肌电信号产生仿真肌电信号，所述假肢模块200则可以根据所述仿真肌电信号完成指定动作。其中，所述指定动作包括但不限于握拳、张开、拇指弯曲、食指张开等指定动作。

在上述技术方案中，本发明通过肌电信号采集模块100来产生仿真肌电信号，并通过仿真肌电信号来驱动假肢模块200完成指定动作，以实现假肢性能的测试，无需重复采集患者的肌电信号，在提高测试效率的同时，避免给患者身体和心理带来困扰的问题。另外，相对于现有技术，本发明通过肌电信号采集模块100对接受腔进行简化，以模拟真实人体仿真信号用于假肢性能的测试，降低了测试成本。

请继续参阅图2，在一个实施例的进一步地实施方式中，所述肌电信号采集模块100包括：仿真肌电信号数据存储单元101、信号发生单元102与仿真信号产生单元103。其中，所述仿真肌电信号数据存储单元101用于采集并录入肌电信号以建立仿真肌电信号数据库；所述信号发生单元102与所述仿真肌电信号数据存储单元101连接，所述信号发生单元102用于根据所述仿真肌电信号数据存储单元101输入的肌电信号产生相应的信号波形；所述仿真信号产生单元103与所述信号发生单元102连接，所述仿真信号产生单元103用于根据所述肌电信号对应的信号波形产生仿真肌电信号。

具体地，所述仿真肌电信号数据存储单元101通过臂环来采集用户的肌电信号并录入，以建立仿真肌电信号数据库。所述信号发生单元102为可编程信号发生器，通过将仿真肌电信号数据库中的肌电信号导入至所述可编程信号发生器，以产生相应的信号波形。所述仿真信号产生单元103为信号衰减器，所述信号衰减器接收所述可编程信号发生器输入的信号波形，并将信号波形的电压幅值调整至对应的数值，即可产生仿真肌电信号，其中，所述仿真肌电信号的电压的幅值为1-1000微伏。

请继续参阅图2与图3，在一个实施例的进一步地实施方式中，所述假肢模块200包括：信号放大单元201、信号采集处理单元202与仿生假手203。所述信号放大单元201与所述仿真信号产生单元103连接，所述信号放大单元201用于对所述仿真肌电信号进行放大处理；所述信号采集处理单元202与所述信号放大单元201连接，所述信号采集处理单元202用于根据放大后的所述仿真肌电信号发送动作控制指令；所述仿生假手203与所述信号采集处理单元202连接，所述仿生假手203用于根据所述动作控制指令完成指定动作。

具体地，所述信号放大单元201包括：电极2021与电极夹具2022，所述电极2021设置在所述电极夹具2022上，所述电极2021能够将微小的仿真肌电信号进行放大，以避免仿真肌电信号的幅值太小受到外界的干扰而使得信号波形产生变化，以便于所述信号采集处理单元202对所述仿真肌电信号进行识别。所述信号采集处理单元202接收所述仿真肌电信号后，根据所述仿真肌电信号发送动作控制指令(例如握拳、张开、拇指弯曲、食指张开等动作控制指令)给所述仿生假手203，所述仿生假手203根据所述动作控制指令完成相应的动作。当所述信号采集处理单元202发出动作控制指令，所述仿生假手203完成动作响应，且响应动作符合要求时，即完成动作的性能测试。例如，当所述信号采集处理单元202发出的动作控制指令为握拳指令时，所述仿生假手203则执行握拳动作，以完成握拳动作的性能测试。

需要说明的是，对仿生假手203的性能测试包括最大开手距离、指端平均运动速度、指端捏力、开手95mm能耗、噪声、指端自锁阻力等基本性能测试，基本性能测试的性能指标与检测方法去下表所示：

序号	名称	性能指标	检验方法
				1	最大开手距离/mm	≥95	GB/T 18027-2008 5.1.1
2	指端平均运动速度/(mm/s)	≥80	GB/T 18027-2008 5.1.2
				3	指端捏力/N	≥30	GB/T 18027-2008 5.1.3
4	开手95mm能耗/J	≤4.5	GB/T 18027-2008 5.1.4
				5	噪声/dB	≤45	GB/T 18027-2008 5.1.6
6	指端自锁阻力/N	≥60	GB/T 18027-2008 5.1.8

除基本性能指标外，对仿生假手的性能测试还有主动自由度、手部抓取能力、运动意图识别以及辅助控制能力这四种性能指标。其中所述主动自由度指的是仿生假手处于正常工作状态时，五指进行屈伸或伸直动作。所述手部抓取能力指的是仿生假手完成抓握动作、指尖夹物动作、托举动作以及提物动作的能力。所述运动意图判别能力指的是所述信号采集处理单元依次发出动作控制指令，并记录仿生假手准确完成指令的次数，以及从发出指令到完成指令的时间。所述辅助控制能力指的是所述信号采集处理单元抓握动作测试时，经锁定后物体不会脱落的能力。

请参阅图4，在一些实施例中，本发明还提供了一种用于假肢测试的半实物仿真测试方法，应用于上述所述的用于假肢测试的半实物仿真测试系统，包括步骤：

S100、通过肌电信号采集模块产生仿真肌电信号；

S200、假肢模块根据所述仿真肌电信号完成指定动作。

具体地，所述肌电信号采集模块通过采集用户的肌电信号以建立仿真肌电信号数据库，以使仿真肌电信号数据库中包含多种手部动作的肌电信号，所述肌电信号采集模块根据仿真肌电信号库中的肌电信号来模拟产生仿真肌电信号，所述假肢模块则可以根据所述仿真肌电信号完成指定动作，从而实现假肢性能的测试，无需重复采集患者的肌电信号，在提高测试效率的同时，避免给患者身体和心理带来困扰的问题。

其中，步骤S100包括步骤：

S101、采集并录入肌电信号，建立仿真信号数据库；

具体地，仿真肌电信号数据存储单元通过臂环来采集用户的肌电信号并录入，以建立仿真肌电信号数据库。

S102、根据所述仿真信号数据库中的肌电信号产生相应的信号波形；

具体地，通过将仿真肌电信号数据库中的肌电信号导入至所述可编程信号发生器，以产生相应的信号波形。

S103、根据所述肌电信号产生的相应的信号波形产生仿真肌电信号。

具体地，信号衰减器接收所述可编程信号发生器输入的信号波形，并将信号波形的电压幅值调整至对应的数值，即可产生仿真肌电信号。

其中，步骤S100还包括：

S104、比较所述肌电信号与所述仿真肌电信号的相似度。

具体地，仿真肌电信号数据存储单元通过臂环来采集用户的肌电信号(即原始肌电信号)并录入，以建立仿真肌电信号数据库。所述信号衰减器接收所述可编程信号发生器输入的信号波形，并将信号波形的电压幅值调整至对应的数值以产生仿真肌电信号，其后所述信号采集单元根据所述仿真肌电信号输出动作控制指令来控制仿生假手完成相应的动作。为保证所述肌电信号采集模块的有效性和可靠性，所述仿真肌电信号与采集的肌电信号的相似度应接近。因此，在使用所述仿真肌电信号进行测试时，需要对比所述仿真肌电信号与采集的肌电信号(原始肌电信号)，通过计算所述仿真肌电信号与采集的肌电信号的相似度进行验证。

例如，当采用八通道的臂环采集动作信号时，有8路对应的肌电信号。其中，1路肌电信号可以看做是由n个离散元素组成的数组表示：

EMG＝{x₁,…,x_n}；

而相似度是2路信号曲线之间的线性相关度。通过计算仿真肌电信号与采集的肌电信号之间的相似度的表达式如下所示：

其中，EMGX表示仿真肌电信号，EMGY表示采集的肌电信号(即原始肌电信号)，Var表示方差，Cov表示协方差，r表示相似度。其中，r越接近100％，则说明2路曲线越相关，即仿真肌电信号与采集的肌电信号越接近。

以握拳动作为例，图5与图6是采集的肌电信号与仿真肌电信号的结果对比图，其曲线1代表采集的肌电信号，曲线2代表仿真肌电信号。结果表明，8路仿真肌电信号与采集的肌电信号的相似度都超过了71.1％，其中，有7路信号的相似度接近96％，以上述结果可知，所述肌电信号采集模块的可靠性与有效性可以得到保证。

其中，步骤S200包括步骤：

S201、对所述仿真肌电信号进行放大处理；

具体地，通过将微小的仿真肌电信号进行放大，以避免仿真肌电信号的幅值太小受到外界的干扰而使得信号波形产生变化，以便于所述信号采集处理单元对所述仿真肌电信号进行识别。

S202、根据放大后的所述仿真肌电信号发送动作控制指令至仿生假手；

具体地，接收所述仿真肌电信号后，根据所述仿真肌电信号发送动作控制指令(例如握拳、张开、拇指弯曲、食指张开等动作控制指令)给所述仿生假手。

S203、所述仿生假手根据所述动作控制指令完成指定动作。

具体地，所述仿生假手根据所述动作控制指令完成动作响应，且响应动作符合要求时，即完成动作的性能测试。

综上所述，本发明所提供的一种用于假肢测试的半实物仿真测试系统及方法具有以下有益效果：通过采用肌电信号采集模块采集肌电信号并根据采集的肌电信号模拟产生仿真肌电信号，并通过将采集的肌电信号与产生的仿真肌电信号进行对比，以保证肌电信号采集模块的可靠性与有效性，其后将肌电信号采集模块产生的仿真肌电信号用于假肢模块性能的测试，无需重复采集患者的肌电信号，在提高测试效率的同时，避免给患者身体和心理带来困扰的问题。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于假肢测试的半实物仿真测试系统，其特征在于，包括：

肌电信号采集模块，用于产生仿真肌电信号；

假肢模块，所述假肢模块与所述肌电信号采集模块连接，所述假肢模块用于根据所述仿真肌电信号完成指定动作。

2.根据权利要求1所述的用于假肢测试的半实物仿真测试系统，其特征在于，所述肌电信号采集模块包括：

仿真肌电信号数据存储单元，用于采集并录入肌电信号以建立仿真肌电信号数据库；

信号发生单元，与所述仿真肌电信号数据存储单元连接，所述信号发生单元用于根据所述仿真肌电信号数据存储单元输入的肌电信号产生相应的信号波形；

仿真信号产生单元，与所述信号发生单元连接，所述仿真信号产生单元用于根据所述肌电信号对应的信号波形产生仿真肌电信号。

3.根据权利要求2所述的用于假肢测试的半实物仿真测试系统，其特征在于，所述假肢模块包括：

信号放大单元，与所述仿真肌电信号产生单元连接，所述信号放大单元用于对所述仿真肌电信号进行放大处理；

信号采集处理单元，与所述信号放大单元连接，所述信号采集处理单元用于根据放大后的所述仿真肌电信号发送动作控制指令；

仿生假手，与所述信号采集处理单元连接，所述仿生假手用于根据所述动作控制指令完成指定动作；

其中，所述指定动作包括握拳、张开、拇指弯曲以及食指张开。

4.根据权利要求2所述的用于假肢测试的半实物仿真测试系统，其特征在于，所述信号发生单元为可编程信号发生器。

5.根据权利要求2所述的用于假肢测试的半实物仿真测试系统，其特征在于，所述仿真信号产生单元为信号衰减器；所述仿真肌电信号的电压的幅值为1-1000微伏。

6.根据权利要求3所述的用于假肢测试的半实物仿真测试系统，其特征在于，所述信号放大单元包括：电极与电极夹具，所述电极设置在所述电极夹具上。

7.一种用于假肢测试的半实物仿真测试方法，应用于权利要求1-6任一项所述的用于假肢测试的半实物仿真测试系统，其特征在于，包括：

通过肌电信号采集模块产生仿真肌电信号；

假肢模块根据所述仿真肌电信号完成指定动作。

8.根据权利要求7所述的用于假肢测试的半实物仿真测试方法，其特征在于，所述通过肌电信号采集模块产生仿真肌电信号的步骤包括：

采集并录入肌电信号，建立仿真信号数据库；

根据所述仿真信号数据库中的肌电信号产生相应的信号波形；

根据所述肌电信号产生的相应的信号波形产生仿真肌电信号。

9.根据权利要求8所述的用于假肢测试的半实物仿真测试方法，其特征在于，所述通过肌电信号采集模块产生仿真肌电信号的步骤还包括：

比较所述肌电信号与所述仿真肌电信号的相似度。

10.根据权利要求9所述的用于假肢测试的半实物仿真测试方法，其特征在于，所述假肢模块根据所述仿真肌电信号完成指定动作的步骤包括：

对所述仿真肌电信号进行放大处理；

根据放大后的所述仿真肌电信号发送动作控制指令至仿生假手；

所述仿生假手根据所述动作控制指令完成指定动作。

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