CN117398604A - 一种为截肢者反馈假肢肘关节运动的多通道振动刺激系统 - Google Patents

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Abstract

一种为截肢者反馈假肢肘关节运动的多通道振动刺激系统，包括：主控模块、电机驱动模块、振动刺激模块、振动电极阵列模块。本发明提供了一种小巧便携、多功能的振动刺激‑控制系统。在截肢者进行康复训练和假肢适配时，通过提供缺失肢体的感觉反馈来改善对假肢的控制效果，进而实现更精细灵巧的运动，节省使用者学习控制假肢的时间并提高假肢在日常生活的使用率。本发明提供的振动刺激‑控制系统适应截肢者的肢体，并且能够在可穿戴肌电假肢设备中集成，将整个系统封装在一个紧凑的设备中，便于携带和佩戴。此外，本发明使用低功耗的组件和电路设计，降低了系统的功耗，为使用者提供更好的用户体验。

Description

一种为截肢者反馈假肢肘关节运动的多通道振动刺激系统
技术领域
本发明涉及振动刺激设备技术领域，具体涉及一种为截肢者反馈假肢肘关节运动的多通道振动刺激系统。
背景技术
第二次全国残疾人抽样调查数据显示，目前肢体残疾在所有残疾种类中所占比重最大，其中最为常见的是上肢残疾患者。人类大部分活动需要腕肘部的参与，上肢残疾降低了生活质量，增加了社会负担。
对于肢体残疾人来说，假肢是有效的康复手段。但目前商用假肢不提供感觉反馈功能，这会导致使用者在获取假肢运动信息时，更多地依赖于视觉反馈，增加了视觉负担，这是假肢弃用率高的主要原因之一。
目前关于假肢缺少感觉反馈的问题，已有部分技术做出了改进。感觉替代技术通过把受损感官的刺激转换成另一种刺激作用于仍有功能的其他感官以获取信息。它可以是侵入式的，使用植入式接口的直接神经刺激；也可以是非侵入式的，如皮肤电触觉和振动触觉等，通过激活皮肤上的不同受体来引起不同的感觉。
作为人类必不可少的感觉通道，触觉具有独特优势，与其他的感觉通道相比，触觉不仅可以实现其他感觉通道无法实现的双向信息交互，还可以大范围、全方位地感知信息。可以通过不同的触感模式、频率和强度来传递不同的信息和反馈，使用户体验更加多样化和动态化。因此，对触觉反馈装置以及人体触觉感知特性研究具有重要意义。尽管已经取得了一定的进展，但人类的触觉系统非常复杂，我们仍需要更深入的研究来模拟和还原这些感觉。
目前有关截肢者触觉反馈的研究还存在如下问题：
1)当前的振动触觉刺激系统的功耗和体积仍然较大，限制了其在实际应用中的可用性和便携性。
2)目前刺激电极大多使用一次性电极，不能多次重复使用，且诱发的感觉信息不稳定，佩戴方式也较繁琐，可能会引起使用者的不舒适感和排斥感。
3)目前的感觉反馈研究针对肘关节的位置和运动觉反馈相对较少，而人体上肢进行精细动作时离不开腕、肘关节的协同。研究多关注于手部的抓握力反馈，因此这一领域仍有待进一步探索。
发明内容
本发明的目的是提供一种为截肢者反馈假肢肘关节运动的多通道振动刺激系统，所述系统与肌电假肢进行数据交互，为使用者提供感觉反馈。
所述肌电假肢包括接收腔体、带编码器的肘关节电机、微控制器。
所述系统包括：主控模块、电机驱动模块、振动刺激模块、振动电极阵列模块。
所述主控模块向电机驱动模块发送电机驱动信号。
所述电机驱动模块接收到电机驱动信号后，控制肌电假肢中带编码器的肘关节电机工作，实现肌电假肢的运动。
当肌电假肢运动时，带编码器的肘关节电机的编码器读取电机转动角度信息，以实时监测假肢运动姿态信息，并将运动姿态信息传输至微控制器。
所述微控制器控制振动刺激模块向振动电极阵列模块输出多通道振动刺激序列。
所述振动电极阵列模块贴置在肌电假肢使用者的上肢。
所述振动电极阵列模块接收到多通道振动刺激序列后，产生作用于肌电假肢使用者上肢的振动刺激。
进一步，所述系统还包括电源模块。
所述电源模块为主控模块、电机驱动模块、振动刺激模块、振动电极阵列模块供电。
进一步，所述肌电假肢还包括电池。
所述电池为带编码器的肘关节电机、微控制器供电。
进一步，所述电机驱动模块通过控制肌电假肢中带编码器的肘关节电机的转向、转速，实现肌电假肢的运动。
进一步，所述肌电假肢的运动类型包括肘屈、肘伸。
进一步，所述振动电极阵列模块为柔性电路板。
所述柔性电路板厚度为a，且表面镀上一层铜膜。
进一步，所述振动电极阵列模块包括n个微型振动马达。
所述微型振动马达间隔分布在柔性电路板上。
所述微型振动马达用于在使用者的上肢产生振动刺激。
所述微控制器通过排线和FPC连接器分别与n个微型振动马达连接，从而实现振动刺激的多通道输出。
进一步，所述微型振动马达的刺激强度范围为[0,3.3V]。
进一步，所述振动刺激模块输出的多通道振动刺激序列的幅值范围为[b,3.3V]，调制频率范围[0,200Hz]，b为感觉阈值。
进一步，所述振动刺激的参数包括振动频率、振动时长、振动强度、振动间隔时长。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明的目标人群为使用假肢的上肢截肢患者，本发明使用替代型的振动触觉反馈方法，通过学习使诱发的感觉更贴近自然感觉。同时，本发明采用高精度的柔性刺激电极阵列代替常用的一次性电极，增加了电极的使用次数，且有较好的适应性和稳定性，从而增加刺激的准确性和分辨率，能在多种环境中使用。
本发明提供一种小巧便携、多功能的振动刺激-控制系统。在截肢者进行康复训练和假肢适配时，通过提供缺失肢体的感觉反馈来改善对假肢的控制效果，进而实现更精细灵巧的运动，节省使用者学习控制假肢的时间并提高假肢在日常生活的使用率。
本发明提供的振动刺激-控制系统是对原肌电假肢功能的补充，在功能上与肌电假肢的控制功能结合，将整个系统封装在一个紧凑的肌电假肢设备中。本发明提供的振动刺激-控制系统结构上嵌入到肌电假肢的接受腔中，便于携带和佩戴。此外，需要使用低功耗的组件和电路设计，提高系统的使用时长，提供更好的用户体验。
本发明可应用在虚拟现实、医疗康复、人机交互等领域。
附图说明
图1为本发明所述的肌电假肢肘关节的运动姿态信息与振动刺激-控制系统的工作示意图；
图2为本发明所述整个系统的处理流程示意图；
图3为本发明设计的柔性振动刺激电极阵列示意图；
图4为本发明使用的微型振动马达选型；
图5为本发明使用的感觉替代方法的映射关系示意图，图5(a)为肘部假肢进行屈伸动作时，刺激通道对应的角度值，图5(b)为运动状态下，假肢动作对应的通道变化的示例图；
图中，微控制器1、振动刺激模块2、带编码器的肘关节电机3、振动电极阵列模块4、肌电假肢5、多通道振动刺激序列6、运动姿态信息7、微型振动马达8、FPC连接器9。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
参见图1至图5，一种为截肢者反馈假肢肘关节运动的多通道振动刺激系统，，所述系统与肌电假肢5进行数据交互，为使用者提供感觉反馈。
所述肌电假肢5包括接收腔体、带编码器的肘关节电机3、微控制器1。
所述系统包括：主控模块、电机驱动模块、振动刺激模块2、振动电极阵列模块4。
所述主控模块向电机驱动模块发送电机驱动信号。
所述电机驱动模块接收到电机驱动信号后，控制肌电假肢5中带编码器的肘关节电机3工作，实现肌电假肢5的运动。
当肌电假肢5运动时，带编码器的肘关节电机3的编码器读取电机转动角度信息，以实时监测假肢运动姿态信息7，并将运动姿态信息7传输至微控制器1。
所述微控制器1控制振动刺激模块2向振动电极阵列模块4输出多通道振动刺激序列6。
所述振动电极阵列模块4贴置在肌电假肢使用者的上肢。
所述振动电极阵列模块4接收到多通道振动刺激序列6后，产生作用于肌电假肢使用者上肢的振动刺激。
实施例2：
一种为截肢者反馈假肢肘关节运动的多通道振动刺激系统，主要技术内容见实施例1，进一步，所述系统还包括电源模块。
所述电源模块为主控模块、电机驱动模块、振动刺激模块2、振动电极阵列模块4供电。
实施例3：
一种为截肢者反馈假肢肘关节运动的多通道振动刺激系统，主要技术内容见实施例1至2任一项，进一步，所述肌电假肢5还包括电池。
所述电池为带编码器的肘关节电机3、微控制器1供电。
实施例4：
一种为截肢者反馈假肢肘关节运动的多通道振动刺激系统，主要技术内容见实施例1至3任一项，进一步，所述电机驱动模块通过控制肌电假肢5中带编码器的肘关节电机3的转向、转速，实现肌电假肢5的运动。
实施例5：
一种为截肢者反馈假肢肘关节运动的多通道振动刺激系统，主要技术内容见实施例1至4任一项，进一步，所述肌电假肢5的运动类型包括肘屈、肘伸。
实施例6：
一种为截肢者反馈假肢肘关节运动的多通道振动刺激系统，主要技术内容见实施例1至5任一项，进一步，所述振动电极阵列模块4为柔性电路板。
所述柔性电路板厚度为a，且表面镀上一层铜膜。
实施例7：
一种为截肢者反馈假肢肘关节运动的多通道振动刺激系统，主要技术内容见实施例1至6任一项，进一步，所述振动电极阵列模块4包括n个微型振动马达8。
所述微型振动马达8间隔分布在柔性电路板上。
所述微型振动马达8用于在使用者的上肢产生振动刺激。
所述微控制器1通过排线和FPC连接器分别与n个微型振动马达8连接，从而实现振动刺激的多通道输出。
实施例8：
一种为截肢者反馈假肢肘关节运动的多通道振动刺激系统，主要技术内容见实施例1至7任一项，进一步，所述微型振动马达8的刺激强度范围为[0,3.3V]。
实施例9：
一种为截肢者反馈假肢肘关节运动的多通道振动刺激系统，主要技术内容见实施例1至8任一项，进一步，所述振动刺激模块2输出的多通道振动刺激序列的幅值范围为[b,3.3V]，调制频率范围[0,200Hz]，b为感觉阈值。
实施例10：
一种为截肢者反馈假肢肘关节运动的多通道振动刺激系统，主要技术内容见实施例1至9任一项，进一步，所述振动刺激的参数包括振动频率、振动时长、振动强度、振动间隔时长。
实施例11：
参见图1至图5，一种为截肢者反馈假肢肘关节运动的多通道振动刺激系统，所述系统与肌电假肢5进行数据交互，为使用者提供感觉反馈。
所述系统嵌入肌电假肢中，与肌电假肢电气连接，根据假肢的运动学参数提供不同模式的振动刺激，帮助使用者在操控假肢的同时获得感觉反馈。
所述肌电假肢5包括接收腔体、带编码器的肘关节电机3、微控制器1。
所述系统包括：主控模块、电机驱动模块、振动刺激模块2、振动电极阵列模块4。
所述主控模块向电机驱动模块发送电机驱动信号。
所述主控模块使用STM32F103RCT6作为主控芯片，内置多种外设，包括模数转换器、定时器、中断控制器、数字接口集成电路以及各种通信接口，可以帮助使用者实现更加灵活和复杂的功能。它是一款具有高性能、低成本、低功耗等优点的嵌入式系统，可以为本设计提供控制信号。
所述电机驱动模块接收到电机驱动信号后，控制肌电假肢5中带编码器的肘关节电机3工作，实现肌电假肢5的运动。
当肌电假肢5运动时，带编码器的肘关节电机3的编码器读取电机转动角度信息，以实时监测假肢运动姿态信息7，并将运动姿态信息7传输至微控制器1。
所述微控制器1控制振动刺激模块2向振动电极阵列模块4输出多通道振动刺激序列6。
所述振动刺激模块采用PCA9685芯片驱动，这是一款16通道、12位PWM总线驱动芯片。这款芯片广泛应用于机器人、无人机、LED照明和其它需要控制多个PWM输出的应用中。该芯片采用I2C总线连接，向芯片发送控制寄存器的数值，实现对PWM输出的控制，具有高精度和高可靠性，适用于本设计的驱动需求。
所述振动电极阵列模块4贴置在肌电假肢使用者的上肢。
所述振动电极阵列模块4接收到多通道振动刺激序列6后，产生作用于肌电假肢使用者上肢的振动刺激。
所述振动刺激和电机控制系统的工作流程如下：
1)在使用者上肢放置多通道柔性刺激电极阵列，肢体佩戴所述肌电假肢；
2)上位机程序控制所述带编码器的肘关节电机，实现肌电假肢的肘部屈伸运动；
3)所述编码器实时读取电机转动角度信息，以实时监测假肢运动姿态信息，将信息传输至所述微控制器；
4)所述微控制器通过特定通信方式，控制所述振动刺激器，选择刺激输出通道并设定振动刺激参数；所述振动刺激参数包括振动频率、振动时长、振动强度、振动间隔时长；
5)所述多通道柔性振动刺激电极阵列接收到输出信号后，产生作用于假肢使用者上肢特定的振动刺激；
6)使用者上肢感受到振动刺激后，进行该刺激对应动作或记录当下刺激对应动作，微控制器实时检测电机转动状态并根据其调节刺激参数，返回步骤4)，直至当前动作完成；当前动作完成后返回步骤2)。
实施例12：
一种为截肢者反馈假肢肘关节运动的多通道振动刺激系统，主要技术内容见实施例11，进一步，所述系统还包括电源模块。
所述电源模块为主控模块、电机驱动模块、振动刺激模块2、振动电极阵列模块4供电。
所述电源模块是提供动力支持的模块，采用假肢自带的8V可充电电池供电，各部分电路通过设计的电压转换模块获取相应电压供电：蓝牙通信模块的供电电压为3.3V，驱动模块供电电压为5V，振动马达在额定工作电压范围内，选择3.3V电压供电。因此系统设计两个电压转换电路，分别为8V转5V和5V转3.3V。
所述8V转5V电路使用的芯片为LM7805，是一种3引脚稳压器芯片，可以将输入电压转换为稳定的5V输出电压。利用LM7805芯片可以设计出简单的电压转换电路。这种简单的电路适用于输入电压波动较小的情况，即不能大于35V。
所述5V转3.3V电路使用的芯片为TLV70433，这是一种低压差线性稳压器芯片，具有低压差和低静态电流的特点，可以用于从3.5V至28V的输入电压向下转换到1.2V至5.5V的输出电压。使用TLV70433的电路非常简单和易于设计，可以减少系统中的组件数量和成本。
实施例13：
一种为截肢者反馈假肢肘关节运动的多通道振动刺激系统，主要技术内容见实施例11至12任一项，进一步，所述肌电假肢5还包括可充电电池。
所述电池为带编码器的肘关节电机3、微控制器1供电。
实施例14：
一种为截肢者反馈假肢肘关节运动的多通道振动刺激系统，主要技术内容见实施例11至13任一项，进一步，所述电机驱动模块通过控制肌电假肢5中带编码器的肘关节电机3的转向、转速，实现肌电假肢5的运动。
实施例15：
一种为截肢者反馈假肢肘关节运动的多通道振动刺激系统，主要技术内容见实施例11至14任一项，进一步，所述肌电假肢5的运动类型包括肘屈、肘伸，角度范围在0°至135°，囊括了人体上臂日常活动涉及的角度范围。
实施例16：
一种为截肢者反馈假肢肘关节运动的多通道振动刺激系统，主要技术内容见实施例11至15任一项，进一步，所述振动电极阵列模块4为1层柔性电路板，由弯曲性较好的材料制成，能够紧密地贴合使用者皮肤。
所述柔性电路板厚度为0.12mm，且表面镀上一层铜膜，黄色覆盖膜，表面为铜材料。
所述柔性电路板的尺寸符合成年人体上肢的臂围长度范围，单个尺寸为255mm*65.4m。
实施例17：
一种为截肢者反馈假肢肘关节运动的多通道振动刺激系统，主要技术内容见实施例11至16任一项，进一步，所述振动电极阵列模块4为1层柔性电路板，由弯曲性较好的材料制成，能够紧密地贴合使用者皮肤。
所述柔性电路板厚度为0.09mm，且表面镀上一层铜膜，黄色覆盖膜，表面为铜材料。
所述柔性电路板的尺寸符合成年人体上肢的臂围长度范围，单个尺寸为255mm*65.4m。
实施例18：
一种为截肢者反馈假肢肘关节运动的多通道振动刺激系统，主要技术内容见实施例11至17任一项，进一步，所述振动电极阵列模块4为1层柔性电路板，由弯曲性较好的材料制成，能够紧密地贴合使用者皮肤。
所述柔性电路板厚度为0.15mm，且表面镀上一层铜膜，黄色覆盖膜，表面为铜材料。
所述柔性电路板的尺寸符合成年人体上肢的臂围长度范围，单个尺寸为255mm*65.4m。
实施例19：
一种为截肢者反馈假肢肘关节运动的多通道振动刺激系统，主要技术内容见实施例11至18任一项，进一步，所述振动电极阵列模块4包括n个微型振动马达8。
所述微型振动马达8间隔分布在柔性电路板预设位置上。
所述微型振动马达8用于在使用者的上肢产生振动刺激。
所述微控制器1通过排线和FPC连接器分别与n个微型振动马达8连接，从而实现振动刺激的多通道输出。
所述振动通道与对应的微型振动马达通过连接器公母头对接，n个微型振动马达分为两列，在柔性电路板上按恒定间距均匀排布。
如图3所示，柔性振动刺激电极阵列主要由微型振动马达、FPC连接器9和柔性电路板三部分组成，由硅基底、薄膜电极和微型振动电机组成，具有结构简单、输出信号稳定、频率响应准确等优点，每个微型振动马达之间间隔35mm，满足人体能感知到的两点阈。
实施例20：
一种为截肢者反馈假肢肘关节运动的多通道振动刺激系统，主要技术内容见实施例11至19任一项，进一步，所述系统使用12V可充电电池供电，电池嵌入所述假肢接收腔体中，所述微型振动马达8的刺激强度范围为[0,3.3V]。
实施例21：
一种为截肢者反馈假肢肘关节运动的多通道振动刺激系统，主要技术内容见实施例11至20任一项，进一步，所述振动刺激模块2输出的多通道振动刺激序列的幅值范围为[b,3.3V]，调制频率范围[0,200Hz]，b为感觉阈值。
所述感觉阈值的测量方式为，从0按一定梯度增加振动幅值，直到被试开始报告感觉到刺激，记录当下的幅值为感觉阈值。
实施例22：
一种为截肢者反馈假肢肘关节运动的多通道振动刺激系统，主要技术内容见实施例11至21任一项，进一步，所述振动刺激的参数包括振动频率、振动时长、振动强度、振动间隔时长。
实施例23：
一种为截肢者反馈假肢肘关节运动的多通道振动刺激系统，主要技术内容见实施例11至21任一项，进一步，一种基于感觉替代的肘关节本体感觉重建方法，内容如下：
本方法通过不同的方式实现肘屈伸的角度和速度的重建；肘屈伸的4个位置被映射为振动电极不同通道诱发的触觉，在此基础上建立等速运动感觉。肘屈伸的3个速度被映射为振动电极不同频率诱发的触觉，在此基础上建立变速运动感觉；
当所述肌电假肢运动姿态信息角度为0°时，刺激通道1和2，角度为135°时，刺激通道n-1和n，将0°-135°范围等分为4个角度，分别对应n个微型振动马达，振动刺激的通道随假肢角度的变化而改变；
当所述肌电假肢运动姿态信息为肘屈时，振动刺激在通道中顺时针按顺序依次进行，角度越大，刺激的通道越多；
当所述肌电假肢运动姿态信息为肘伸时，振动刺激在通道中逆时针按顺序依次进行，角度越大，刺激的通道越多；
当所述肌电假肢运动姿态信息为高速时，振动刺激相应设置为高频率，当所述肌电假肢运动姿态信息为中速时，振动刺激相应设置为中频，当所述肌电假肢运动姿态信息为低速时，振动刺激相应设置为低频率。
实施例24：
参见图1至图5，一种为截肢者反馈假肢肘关节运动的多通道振动刺激系统，所述系统包括振动刺激模块、电机驱动模块、振动电极阵列模块、电源模块，嵌入肌电假肢中为使用者提供感觉反馈。
所述肌电假肢包括接收腔体、带编码器的肘关节电机、微控制器、可充电电池。
所述带编码器的肘关节电机与电机驱动部分电气连接，以设置驱动电机进行正转或反转、调整转速等，来控制假肢进行相应运动。
所述微控制器与振动刺激器电气连接，根据电机工作状态选择振动通道并设定振动刺激参数，产生作用于假肢使用者上肢的振动刺激。
所述微控制器控制振动刺激器的n个输出通道，每个输出通道均与一个振动马达相连接。
所述振动电极阵列包含n个微型振动马达，以一定间隔固定在柔性印刷板预先设定位置上。
所述振动电极阵列通过排线和FPC连接器与振动刺激器电气连接，且与使用者的上臂紧密接触，输出振动刺激。
所述振动刺激-控制系统包括以下组件：主控模块、电机驱动模块、振动刺激模块、振动电极阵列模块、电源模块，具有小型化、便携化的优点。
所述振动刺激和电机控制系统的工作流程如下：
1)在使用者上肢放置多通道柔性刺激电极阵列，肢体佩戴所述肌电假肢。
2)上位机程序控制所述带编码器的肘关节电机，实现肌电假肢的肘部屈伸运动。
3)所述编码器实时读取电机转动角度信息，以实时监测假肢运动姿态信息，将信息传输至所述微控制器。
4)所述微控制器通过特定通信方式，控制所述振动刺激器，选择刺激输出通道并设定振动刺激参数。所述振动刺激参数包括振动频率、振动时长、振动强度、振动间隔时长。
5)所述多通道柔性振动刺激电极阵列接收到输出信号后，产生作用于假肢使用者上肢特定的振动刺激。
6)使用者上肢感受到振动刺激后，进行该刺激对应动作或记录当下刺激对应动作，微控制器实时检测电机转动状态并根据其调节刺激参数，返回步骤4)，直至当前动作完成。当前动作完成后返回步骤2)。
所述假肢肘部运动姿态类型包括肘屈、肘伸，角度范围在0°至135°，囊括了人体上臂日常活动涉及的角度范围。
所述振动电极阵列使用1层柔性电路板，由弯曲性较好的材料制成，能够紧密地贴合使用者皮肤。
所述振动电极阵列板厚0.12mm±0.03mm，黄色覆盖膜，表面为铜材料，单个尺寸为255mm*65.4m，符合成年人体上肢的臂围长度范围。
与所述振动刺激系统通过连接器公母头对接，n个微型振动马达分为两列，在柔性电路板上按恒定间距均匀排布。
所述系统使用12V可充电电池供电，电池嵌入所述假肢接收腔体中，所述微型振动马达的刺激强度范围为[0,3.3V]。
所述振动刺激器输出的幅值范围为[感觉阈值,3.3V]，调制频率范围[0,200Hz]。
一种基于感觉替代的肘关节本体感觉重建方法：
所述基于感觉替代的肘关节本体感觉重建方法，其特征在于：本方法通过不同的方式实现肘屈伸的角度和速度的重建。肘屈伸的4个位置被映射为振动电极不同通道诱发的触觉，在此基础上建立等速运动感觉。肘屈伸的3个速度被映射为振动电极不同频率诱发的触觉，在此基础上建立变速运动感觉。
当所述肌电假肢运动姿态信息角度为0°时，刺激通道1和2，角度为135°时，刺激通道n-1和n，将0°-135°范围等分为4个角度，分别对应n个微型振动马达，振动刺激的通道随假肢角度的变化而改变。
当所述肌电假肢运动姿态信息为肘屈时，振动刺激在通道中顺时针按顺序依次进行，角度越大，刺激的通道越多。
当所述肌电假肢运动姿态信息为肘伸时，振动刺激在通道中逆时针按顺序依次进行，角度越大，刺激的通道越多。
当所述肌电假肢运动姿态信息为高速时，振动刺激相应设置为高频率，当所述肌电假肢运动姿态信息为中速时，振动刺激相应设置为中频，当所述肌电假肢运动姿态信息为低速时，振动刺激相应设置为低频率。
实施例25：
参见图1至图5，一种为截肢者反馈假肢肘关节运动的多通道振动刺激系统，所述系统包括振动刺激模块、电机控制模块、刺激电极阵列模块、电源模块，嵌入肌电假肢中为使用者提供感觉反馈。
所述振动刺激-控制系统包括以下组件：主控模块、电机驱动模块、振动刺激模块、振动电极阵列模块、电源模块，具有小型化、便携化的优点。
所述振动刺激-控制系统在使用时嵌入肌电假肢内部接收腔体中，刺激输出部分与使用者手臂紧密连接，是产生振动的核心组件。
所述主控模块使用STM32F103RCT6作为主控芯片，它是一款具有高性能、低成本、低功耗等优点的嵌入式系统，可以为本设计提供控制信号。
所述振动刺激模块采用PCA9685芯片驱动，该芯片采用I2C总线连接，向芯片发送控制寄存器的数值，实现对PWM输出的控制，具有高精度和高可靠性，适用于本设计的驱动需求。
所述电源模块是提供动力支持的模块，采用假肢自带的可充电电池供电，各部分电路通过设计的电压转换模块获取相应电压供电。
所述肌电假肢包括接收腔体、带编码器的肘关节电机、微控制器。
所述带编码器的肘关节电机与电机驱动模块电气连接，接收指令后设置驱动电机的正转或反转、转速等，控制假肢进行相应运动。
所述微控制器与振动刺激模块电气连接，根据电机工作状态设定振动刺激参数：调节振动的强度、频率和模式等参数，可以采用按钮、开关或可编程电子控制系统实现，产生作用于假肢使用者上肢的振动刺激。
所述振动电极阵列，使用柔性电路板制成，由硅基底、薄膜电极和微型振动马达组成，能与使用者上臂完美贴合，且安全便携，比离散的振动装置具有更高的集成度、更系统化。
所述柔性电极阵列通过排线和FPC连接器与振动刺激器电气连接，且与使用者的上臂接触，传递刺激。
所述振动电极阵列使用1层柔性电路板，板厚0.12mm±0.03mm，黄色覆盖膜，表面为铜材料，单个尺寸为255mm*65.4m，符合成年人体上肢的臂围长度范围。与所述振动刺激系统通过连接器公母头对接，n个微型振动马达分为两列在柔性电路板上均匀排布。
所述振动电极阵列包括n个微型振动马达，以一定间隔固定在柔性振动刺激阵列预先设定的位置上。
所述微型振动马达选取直径10mm、厚度2.7mm、额定转速为11000±2500rpm、额定工作电压为3.0V、额定电流为80mA的转子马达。
所述微型振动马达使用PWM方波驱动，使用者可以改变作用于马达的PWM的占空比，进而改变马达两端的有效电压，最终达到改变马达振动强度的目的。每个马达均可实现参数的独立调控。
所述振动刺激和电机控制系统的工作流程如下：
1)在使用者上肢放置多通道柔性刺激电极阵列，肢体佩戴所述肌电假肢。
2)上位机程序控制所述带编码器的肘关节电机，实现所述肌电假肢的肘部运动。
3)所述编码器实时读取电机转动角度信息，以实时监测假肢运动姿态信息，将信息传输至所述微控制器。
4)所述微控制器通过特定通信方式，控制所述振动刺激器，选择刺激输出通道并控制振动刺激参数。所述振动刺激参数包括振动频率、振动时长、振动强度、振动间隔时长。
5)所述多通道柔性刺激电极阵列接收到信号后，产生作用于使用者上肢的振动刺激信号。
6)使用者上肢受到振动刺激后，进行该刺激对应动作，微控制器监测电机转动状态并根据其调节刺激参数，返回步骤4)，直至当前动作完成。当前动作完成后返回步骤2)。
所述假肢肘部运动姿态类型包括肘屈、肘伸，角度范围在0°至135°，囊括了人体上臂日常活动涉及的角度范围。
所述系统使用12V可充电电池供电，电池嵌入所述假肢接收腔体中，所述微型振动马达的刺激强度范围为[0,3.3V]。
所述振动刺激器输出的幅值范围为[感觉阈值,3.3V]，调制频率范围[0,200Hz]。
一种基于感觉替代的肘关节本体觉重建方法：
1)当所述肌电假肢运动姿态信息角度为0°时，刺激通道1，角度为135°时，刺激通道n，将0°-135°范围n等分为n个角度，分别对应n个微型振动马达，振动刺激的通道随假肢角度的变化而改变。
2)当所述肌电假肢运动姿态信息为肘屈动作时，振动刺激在通道中顺时针按顺序依次进行，角度越大，刺激的通道越多。
3)当所述肌电假肢运动姿态信息为肘伸动作时，振动刺激在通道中逆时针按顺序依次进行，角度越大，刺激的通道越多。
4)当所述肌电假肢运动姿态信息为高速时，振动刺激相应设置为高频。当所述肌电假肢运动姿态信息为低速时，振动刺激相应设置为低频。
实施例26：
参见图1至图5，一种为截肢者反馈假肢肘关节运动的多通道振动刺激系统，所述系统嵌入肌电假肢中，与肌电假肢电气连接，根据假肢的运动学参数提供不同模式的振动刺激，帮助使用者在操控假肢的同时获得感觉反馈。
所述振动刺激-控制系统包括以下组件：主控模块、电机驱动模块、振动刺激模块、振动电极阵列模块、电源模块。
所述振动刺激-控制系统在使用时嵌入肌电假肢内部接收腔体中，刺激输出部分与使用者手臂紧密连接，是产生振动的核心组件。
所述振动刺激-控制系统未连接振动电极阵列、未连接蓝牙时的功耗为1.57mA，未连接振动电极阵列、连接蓝牙时的功耗为2.59mA，连接振动电极阵列、连接蓝牙时的功耗为29.8mA，具有功耗低的优点。
所述振动刺激-控制系统的振动刺激电路板的尺寸为：65.9mm×71.66mm，振动电极阵列尺寸为：255mm×65.79mm，具有小型化、便携化的优点。
所述主控模块使用STM32F103RCT6作为系统的主控芯片，内置多种外设，包括模数转换器、定时器、中断控制器、数字接口集成电路以及各种通信接口，可以帮助使用者实现更加灵活和复杂的功能。它是一款具有高性能、低成本、低功耗等优点的嵌入式系统，可以为本设计提供控制信号。
所述振动刺激模块采用PCA9685芯片驱动，这是一款16通道、12位PWM总线驱动芯片。这款芯片广泛应用于机器人、无人机、LED照明和其它需要控制多个PWM输出的应用中。该芯片采用I2C总线连接，向芯片发送控制寄存器的数值，实现对PWM输出的控制，具有高精度和高可靠性，适用于本设计的驱动需求。
所述电源模块是提供动力支持的模块，采用假肢自带的8V可充电电池供电，各部分电路通过设计的电压转换模块获取相应电压供电：蓝牙通信模块的供电电压为3.3V，驱动模块供电电压为5V，振动马达在额定工作电压范围内，选择3.3V电压供电。因此系统设计两个电压转换电路，分别为8V转5V和5V转3.3V。
所述8V转5V电路使用的芯片为LM7805，是一种3引脚稳压器芯片，可以将输入电压转换为稳定的5V输出电压。利用LM7805芯片可以设计出简单的电压转换电路。这种简单的电路适用于输入电压波动较小的情况，即不能大于35V。
所述5V转3.3V电路使用的芯片为TLV70433，这是一种低压差线性稳压器芯片，具有低压差和低静态电流的特点，可以用于从3.5V至28V的输入电压向下转换到1.2V至5.5V的输出电压。使用TLV70433的电路非常简单和易于设计，可以减少系统中的组件数量和成本。
所述肌电假肢包括接收腔体、带编码器的肘关节电机、微控制器。
所述带编码器的肘关节电机与电机驱动模块电气连接，接收指令后设置驱动电机的正转或反转、转速等，控制肌电假肢进行相应运动。
所述微控制器与振动刺激模块电气连接，根据电机工作状态设定振动刺激参数：调节振动的强度、频率和模式等参数，可以采用按钮、开关或可编程电子控制系统实现，产生作用于假肢使用者上肢的振动刺激。
所述振动电极阵列，使用柔性电路板制成，由硅基底、薄膜电极和微型振动马达组成，能与使用者上臂完美贴合，且安全便携，比离散的振动装置具有更高的集成度、更系统化。
所述柔性电极阵列通过排线和FPC连接器与振动刺激器电气连接，且与使用者的上臂接触，传递刺激。
所述振动电极阵列使用1层柔性电路板，板厚0.12mm±0.03mm，黄色覆盖膜，表面为铜材料，单个尺寸为255mm*65.4m，符合成年人体上肢的臂围长度范围。与所述振动刺激系统通过连接器公母头对接，n个微型振动马达分为两列在柔性电路板上均匀排布。
所述振动电极阵列包括n个微型振动马达，以一定的间隔固定在柔性印刷板预先设定的位置上。
所述微型振动马达选取直径10mm、厚度2.7mm、额定转速为11000±2500rpm、额定工作电压为3.0V、额定电流为80mA的转子马达，所述微型振动马达的频率在200Hz以下，能保证人体感知振动刺激的舒适感。
所述微型振动马达使用PWM方波驱动，使用者可以改变作用于马达的PWM的占空比，进而改变马达两端的有效电压，最终达到改变马达振动强度的目的。每个马达均可实现参数的独立调控。
所述电路系统如图2所示。可充电电池经过电压转换为各模块供电。假肢模块包括用于控制假肢进行运动的电机以及提供假肢运动角度信息的编码器，驱动电机运动的微控制器。振动刺激生成模块通过蓝牙通信模块接收微控制器传输假肢运动姿态信息以及上位机传输的控制数据来产生刺激输出信号。驱动模块控制多路PWM波输出，实现微型振动马达输出参数的调制。
当肘屈伸的4个位置，被映射为通过振动电极阵列的不同通道诱发的振动触觉，在此基础上根据刺激位置建立的时序来建立静态的位置感觉和动态的等速运动感觉。当肘屈伸的3个速度，被映射为通过振动电极阵列的不同频率诱发的振动触觉，在此基础上根据刺激频率和通道变化建立的时序来建立动态的变速运动感觉。
实施例27：
参见图1至图5，一种为截肢者反馈假肢肘关节运动的多通道振动刺激系统，所述系统嵌入肌电假肢中，与肌电假肢电气连接，根据假肢的运动学参数提供不同模式的振动刺激，帮助使用者在操控假肢的同时获得感觉反馈。
所述系统嵌入肌电假肢中，与肌电假肢电气连接，根据假肢的运动学参数提供不同模式的振动刺激，帮助使用者在操控假肢的同时获得感觉反馈。
所述振动刺激-控制系统包括以下组件：主控模块、电机驱动模块、振动刺激模块、振动电极阵列模块、电源模块，具有小型化、便携化的优点。
所述振动刺激-控制系统在使用时嵌入肌电假肢内部接收腔体中，刺激输出部分与使用者手臂紧密连接，是产生振动的核心组件。
所述肌电假肢包括接收腔体、带编码器的肘关节电机、微控制器。
所述带编码器的肘关节电机与电机驱动模块电气连接，接收指令后设置驱动电机的正转或反转、转速等，控制假肢进行相应运动。
所述微控制器与振动刺激模块电气连接，根据电机工作状态设定振动刺激参数：调节振动的强度、频率和模式等参数，可以采用按钮、开关或可编程电子控制系统实现，产生作用于假肢使用者上肢的振动刺激。
所述振动电极阵列，使用柔性电路板制成，由硅基底、薄膜电极和微型振动马达组成，能与使用者上臂完美贴合，且安全便携，比离散的振动装置具有更高的集成度、更系统化。
所述柔性电极阵列通过排线和FPC连接器与振动刺激器电气连接，且与使用者的上臂接触，传递刺激。
所述振动电极阵列包括n个微型振动马达，以一定间隔固定在柔性印刷板预先设定位置上。
所述微型振动马达选取直径10mm、厚度2.7mm、额定转速为11000±2500rpm、额定工作电压为3.0V、额定电流为80mA的转子马达。
所述微型振动马达使用PWM方波驱动，使用者可以改变作用于马达的PWM的占空比，进而改变马达两端的有效电压，最终达到改变马达振动强度的目的。每个马达均可实现参数的独立调控。
在所述一种用于肌电假肢肘部的运动感觉反馈和主动控制的振动刺激-控制系统的基础上，设计了一种用多通道振动刺激映射肌电假肢肘屈伸运动的感觉反馈方法。
当肘屈伸的4个位置，被映射为通过振动电极阵列的不同通道诱发的振动触觉，在此基础上根据刺激位置建立的时序来建立静态的位置感觉和动态的等速运动感觉。当肘屈伸的3个速度，被映射为通过振动电极阵列的不同频率诱发的振动触觉，在此基础上根据刺激频率和通道变化建立的时序来建立动态的变速运动感觉。
所述柔性振动电极阵列共包括16个微型振动马达，将其分别记为16个通道：CH1，CH2，…，CH16。将CH1和CH2放置于肘窝正上方，其余通道顺时针放置，以垂直手臂方向放置于使用者肘部以上3cm处，与使用者皮肤紧密接触。
用不同模式的振动刺激去映射肌电假肢的运动姿态信息。当所述肌电假肢运动姿态信息角度为0°时，刺激通道CH1，角度为135°时，刺激通道CH16。将0°-135°范围等分为8个角度，分别对应16个微型振动马达，每个角度刺激一对通道，如CH1和CH2，如图3所示，振动刺激的通道随假肢角度的变化而改变。
将肌电假肢的肘屈运动定义为正方向，肌电假肢的肘伸运动定义为反方向。当所述肌电假肢运动姿态信息为肘屈时，微控制器控制振动刺激器，振动刺激在16个通道中顺时针按顺序依次进行输出，角度越大，输出振动信号的通道就越多。当所述肌电假肢运动姿态信息为肘伸时，振动刺激在通道中逆时针按顺序依次进行，角度越大，输出振动信号的通道就越多。
所述振动刺激通道与假肢等速运动信息的映射模式中，每个通道的振动刺激持续时间均为0.5秒，振动刺激频率固定，范围在[10,200Hz]之间，振动刺激强度固定，范围在[0,3.3V]之间。
所述振动刺激通道与假肢等速运动信息的映射模式中，肌电假肢静态的位置感觉信息与刺激模式的对应关系如下：
1)肌电假肢静止在0°时，对应振动刺激输出通道为CH1和CH2。
2)肌电假肢静止在45°时，对应振动刺激输出通道为CH5和CH6。
3)肌电假肢静止在90°时，对应振动刺激输出通道为CH9和CH10。
4)肌电假肢静止在135°时，对应振动刺激输出通道为CH13和CH14。
所述振动刺激通道与假肢等速运动信息的映射模式中，当肘屈角度为45°时，振动刺激按顺时针方向产生输出，依次刺激CH1和CH2、CH3和CH4、CH5和CH6。当肘伸角度为90°时，振动刺激按逆时针方向产生输出，依次刺激CH15和CH16、CH13和CH14、CH11和CH12、CH9和CH10、CH7和CH8、CH5和CH6。其余角度变化的映射关系以此类推。
所述振动刺激频率与假肢变速运动信息的映射模式中，肌电假肢在进行肘屈伸运动时，角度和刺激位置的映射关系同上。每个通道的振动刺激持续时间均为0.5秒，但振动刺激频率不同。高速运动时，振动刺激的频率对应为高频率200Hz。中速运动时，振动刺激的频率对应为中频100Hz。低速运动时，振动刺激的频率对应为低频率50Hz。

Claims (10)

1.一种为截肢者反馈假肢肘关节运动的多通道振动刺激系统，其特征在于，所述系统与肌电假肢(5)进行数据交互，为使用者提供感觉反馈；
所述肌电假肢(5)包括接收腔体、带编码器的肘关节电机(3)、微控制器(1)；
所述系统包括：主控模块、电机驱动模块、振动刺激模块(2)、振动电极阵列模块(4)；
所述主控模块向电机驱动模块发送电机驱动信号；
所述电机驱动模块接收到电机驱动信号后，控制肌电假肢(5)中带编码器的肘关节电机(3)工作，实现肌电假肢(5)的运动。
当肌电假肢(5)运动时，带编码器的肘关节电机(3)的编码器读取电机转动角度信息，以实时监测假肢运动姿态信息(7)，并将运动姿态信息(7)传输至微控制器(1)；
所述微控制器(1)控制振动刺激模块(2)向振动电极阵列模块(4)输出多通道振动刺激序列(6)；
所述振动电极阵列模块(4)贴置在肌电假肢使用者的上肢。
所述振动电极阵列模块(4)接收到多通道振动刺激序列(6)后，产生作用于肌电假肢使用者上肢的振动刺激。
2.根据权利要求1所述的一种为截肢者反馈假肢肘关节运动的多通道振动刺激系统，其特征在于，所述系统还包括电源模块；
所述电源模块为主控模块、电机驱动模块、振动刺激模块(2)、振动电极阵列模块(4)供电。
3.根据权利要求1所述的一种为截肢者反馈假肢肘关节运动的多通道振动刺激系统，其特征在于，所述肌电假肢(5)还包括电池；
所述电池为带编码器的肘关节电机(3)、微控制器(1)供电。
4.根据权利要求1所述的一种为截肢者反馈假肢肘关节运动的多通道振动刺激系统，其特征在于，所述电机驱动模块通过控制肌电假肢(5)中带编码器的肘关节电机(3)的转向、转速，实现肌电假肢(5)的运动。
5.根据权利要求1所述的一种为截肢者反馈假肢肘关节运动的多通道振动刺激系统，其特征在于，所述肌电假肢(5)的运动类型包括肘屈、肘伸。
6.根据权利要求1所述的一种为截肢者反馈假肢肘关节运动的多通道振动刺激系统，其特征在于，所述振动电极阵列模块(4)为柔性电路板；
所述柔性电路板厚度为a，且表面镀上一层铜膜。
7.根据权利要求6所述的一种为截肢者反馈假肢肘关节运动的多通道振动刺激系统，其特征在于，所述振动电极阵列模块(4)包括n个微型振动马达(8)；
所述微型振动马达(8)间隔分布在柔性电路板上；
所述微型振动马达(8)用于在使用者的上肢产生振动刺激；
所述微控制器(1)通过排线和FPC连接器(9)分别与n个微型振动马达(8)连接，从而实现振动刺激的多通道输出。
8.根据权利要求7所述的一种为截肢者反馈假肢肘关节运动的多通道振动刺激系统，其特征在于，所述微型振动马达(8)的刺激强度范围为[0,3.3V]。
9.根据权利要求1所述的一种为截肢者反馈假肢肘关节运动的多通道振动刺激系统，其特征在于，所述振动刺激模块(2)输出的多通道振动刺激序列的幅值范围为[b,3.3V]，调制频率范围[0,200Hz]，b为感觉阈值。
10.根据权利要求3所述的一种为截肢者反馈假肢肘关节运动的多通道振动刺激系统，其特征在于，所述振动刺激的参数包括振动频率、振动时长、振动强度、振动间隔时长。
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