RU2635632C1 - Method and system of intellectual bionic limb control - Google Patents
Method and system of intellectual bionic limb control Download PDFInfo
- Publication number
- RU2635632C1 RU2635632C1 RU2016149199A RU2016149199A RU2635632C1 RU 2635632 C1 RU2635632 C1 RU 2635632C1 RU 2016149199 A RU2016149199 A RU 2016149199A RU 2016149199 A RU2016149199 A RU 2016149199A RU 2635632 C1 RU2635632 C1 RU 2635632C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- emg
- prosthesis
- signal
- emg signal
- patient
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
- A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
- A61F2/50—Prostheses not implantable in the body
- A61F2/68—Operating or control means
- A61F2/70—Operating or control means electrical
- A61F2/72—Bioelectric control, e.g. myoelectric
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
- A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
- A61F2/50—Prostheses not implantable in the body
- A61F2/54—Artificial arms or hands or parts thereof
- A61F2/58—Elbows; Wrists ; Other joints; Hands
- A61F2/583—Hands; Wrist joints
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
- A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
- A61F2/50—Prostheses not implantable in the body
- A61F2/54—Artificial arms or hands or parts thereof
- A61F2/58—Elbows; Wrists ; Other joints; Hands
- A61F2/583—Hands; Wrist joints
- A61F2/586—Fingers
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
- A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
- A61F2/50—Prostheses not implantable in the body
- A61F2/68—Operating or control means
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
- A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
- A61F2/50—Prostheses not implantable in the body
- A61F2002/5093—Tendon- or ligament-replacing cables
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
- A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
- A61F2/50—Prostheses not implantable in the body
- A61F2/68—Operating or control means
- A61F2002/6827—Feedback system for providing user sensation, e.g. by force, contact or position
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
- A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
- A61F2/50—Prostheses not implantable in the body
- A61F2/68—Operating or control means
- A61F2002/6881—Operating or control means optical
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
- A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
- A61F2/50—Prostheses not implantable in the body
- A61F2/68—Operating or control means
- A61F2002/689—Alarm means, e.g. acoustic
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
- A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
- A61F2/50—Prostheses not implantable in the body
- A61F2/68—Operating or control means
- A61F2/70—Operating or control means electrical
- A61F2002/701—Operating or control means electrical operated by electrically controlled means, e.g. solenoids or torque motors
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
- A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
- A61F2/50—Prostheses not implantable in the body
- A61F2/68—Operating or control means
- A61F2/70—Operating or control means electrical
- A61F2002/704—Operating or control means electrical computer-controlled, e.g. robotic control
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
- A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
- A61F2/50—Prostheses not implantable in the body
- A61F2/68—Operating or control means
- A61F2/70—Operating or control means electrical
- A61F2002/705—Electromagnetic data transfer
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
- A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
- A61F2/50—Prostheses not implantable in the body
- A61F2/68—Operating or control means
- A61F2/70—Operating or control means electrical
- A61F2002/707—Remote control
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
- A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
- A61F2/50—Prostheses not implantable in the body
- A61F2/76—Means for assembling, fitting or testing prostheses, e.g. for measuring or balancing, e.g. alignment means
- A61F2002/7615—Measuring means
- A61F2002/763—Measuring means for measuring spatial position, e.g. global positioning system [GPS]
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
- A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
- A61F2/50—Prostheses not implantable in the body
- A61F2/76—Means for assembling, fitting or testing prostheses, e.g. for measuring or balancing, e.g. alignment means
- A61F2002/7615—Measuring means
- A61F2002/7635—Measuring means for measuring force, pressure or mechanical tension
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
- A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
- A61F2/50—Prostheses not implantable in the body
- A61F2/76—Means for assembling, fitting or testing prostheses, e.g. for measuring or balancing, e.g. alignment means
- A61F2002/7615—Measuring means
- A61F2002/7665—Measuring means for measuring temperatures
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
- A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
- A61F2/50—Prostheses not implantable in the body
- A61F2/76—Means for assembling, fitting or testing prostheses, e.g. for measuring or balancing, e.g. alignment means
- A61F2002/7615—Measuring means
- A61F2002/7685—Measuring means located on natural or sound-site limbs, e.g. comparison measuring means
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
- A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
- A61F2/50—Prostheses not implantable in the body
- A61F2/76—Means for assembling, fitting or testing prostheses, e.g. for measuring or balancing, e.g. alignment means
- A61F2002/7615—Measuring means
- A61F2002/769—Displaying measured values
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Transplantation (AREA)
- Orthopedic Medicine & Surgery (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
- Vascular Medicine (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Cardiology (AREA)
- Prostheses (AREA)
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY
[0001] Данное техническое решение относится к области медицинской техники, а именно к протезированию, в частности к способам и системам для управления интеллектуальной бионической конечностью, и предназначено для протезирования людей с потерей конечности, а также для использования частей изделия независимо в различных задачах улучшения качества жизни.[0001] This technical solution relates to the field of medical technology, namely to prosthetics, in particular to methods and systems for controlling an intellectual bionic limb, and is intended for prosthetics of people with loss of limb, as well as for using parts of the product independently in various tasks of improving quality of life.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND
[0002] Из уровня техники известен патент РФ №2506931 «Протез кисти», дата публикации: 10.11.2013. В данном решении описывается протез кисти, содержащий приемную гильзу, корпус, каркасы первого пальца, второго-четвертого пальцев, приводную систему функции подвижности «схват-раскрытие кисти», шарнир сгибания в лучезапястном сочленении, манжету на предплечье, три потенциометра, три преобразователя сигнала, сумматор, два функциональных преобразователя и четыре усилителя мощности. Данное решение имеет микроприводы на четыре пальца (кроме мизинца) с закреплением приводов на каркасе и червячной передачей на пальцы. Недостатком данного протеза является механический способ управления, т.к. он требует значительного мышечного усилия, кроме того, такой способ управления не является физиологичным для человека. Например, задача взять монету со стола, не представляющая сложности для человека с неповрежденной рукой, для такого решения невыполнима.[0002] The patent of the Russian Federation No. 2506931 "Hand prosthesis" is known from the prior art, date of publication: 10.11.2013. This solution describes a brush prosthesis containing a receiving sleeve, body, frames of the first finger, second to fourth fingers, the drive system of the mobility function "grip-opening of the brush", the joint of flexion in the wrist joint, the cuff on the forearm, three potentiometers, three signal converters, an adder, two functional converters and four power amplifiers. This solution has four-finger micro drives (except for the little finger) with the drives attached to the frame and a worm gear on the fingers. The disadvantage of this prosthesis is a mechanical control method, because it requires significant muscle effort, in addition, this method of control is not physiological for humans. For example, the task of taking a coin from the table, which is not difficult for a person with an intact hand, is impossible for such a decision.
[0003] Также из уровня техники известна заявка на китайский патент № CN1582866 (A) «Myoelectric bionic artificial hand with thigmesthesia and its control», патентообладатель: HANGZHOU ELECTRONIC SCIENCE AN [CN], дата публикации: 23.02.2005. В данном решении описывается миоэлектрическая бионическая искусственная рука с контролем осязания, содержащая измерительные электроды, установленные на остаточных мышцах культи, данные аналого-цифрового преобразования, собранные с помощью компьютера для завершения вывода распознавания движения управляющего сигнала ЭМГ схемой контроля для электрического привода искусственной руки, системы обработки сигнала и системы контроля осязания посредством пьезокерамической пластины. В данном изобретении для получения сенсорной информации, согласно формуле изобретения, используются следующие характеристики во временной области: среднее арифметическое и дисперсия. Но данное решение требует большой концентрации со стороны пользователя для точного позиционирования и выполнения захвата предмета. Кроме того, для более полноценной обратной связи требуется передача большего числа параметров о предмете, например, его температура.[0003] Chinese Patent Application No. CN1582866 (A) “Myoelectric bionic artificial hand with thigmesthesia and its control”, patent holder: HANGZHOU ELECTRONIC SCIENCE AN [CN], publication date: 23.02.2005 is also known in the art. This solution describes a myoelectric bionic artificial arm with touch control, containing measuring electrodes mounted on the residual muscles of the stump, analog-to-digital conversion data collected by a computer to complete the output of the motion recognition of the control signal by the EMG control circuit for the electric drive of the artificial arm, processing system signal and touch control system by means of a piezoceramic plate. In the present invention, to obtain sensory information according to the claims, the following characteristics in the time domain are used: arithmetic mean and variance. But this solution requires a lot of concentration on the part of the user to accurately position and capture the subject. In addition, for a more complete feedback requires the transfer of a larger number of parameters about the subject, for example, its temperature.
[0004] Существующие в настоящее время системы управления протезами включают, как правило, двигатели, датчики, контроллеры, источники питания, механические и электрические разъемы, интерфейсы и механизмы обратной связи, все из которых являются дополнительными аксессуарами.[0004] Current prosthetic control systems typically include motors, sensors, controllers, power supplies, mechanical and electrical connectors, interfaces and feedback mechanisms, all of which are optional accessories.
[0005] В настоящее время существует постоянная потребность в улучшении протезов верхней конечности, которые были бы способны восстановить полные двигательные функции и сенсорные способности ампутированной конечности.[0005] Currently, there is a continuing need to improve prostheses of the upper limb that would be able to restore the full motor functions and sensory abilities of the amputated limb.
СУЩНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯESSENCE OF TECHNICAL SOLUTION
[0006] Техническая проблема, решаемая в данном техническом решении, состоит в осуществлении автономного полнофункционального управления для выполнения низкоуровневых задач манипуляции интеллектуальным бионическим протезом конечности, которое позволило бы воспринимать указанный протез как естественную конечность.[0006] The technical problem solved in this technical solution consists in the implementation of an autonomous, fully functional control for performing low-level tasks of manipulating an intelligent bionic limb prosthesis, which would make it possible to perceive the specified prosthesis as a natural limb.
[0007] Технической задачей технического решения является разработка:[0007] The technical task of the technical solution is to develop:
[0008] - надежного функционального интеллектуального бионического протеза конечности с обратной тактильной связью, управляемого посредством нейромышечных сигналов,[0008] a reliable functional intelligent bionic limb prosthesis with tactile feedback controlled by neuromuscular signals,
[0009] - способа и системы управления вспомогательным устройством, таким как протез конечности.[0009] - a method and system for controlling an auxiliary device, such as a limb prosthesis.
[00010] Техническим результатом, проявляющимся при решении указанной технической задачи и проблемы, является повышение точности позиционирования и принятия решения о захвате предмета.[00010] The technical result manifested in solving the specified technical problem and problem is to increase the accuracy of positioning and making decisions about the capture of the subject.
[00011] Также дополнительным техническим результатом является уменьшение когнитивной нагрузки на человека, повышение эффективности управления протезом, снижение времени отклика исполнительных устройств и предотвращение ложных срабатываний протеза за счет способа предобработки сигнала.[00011] Also, an additional technical result is a decrease in the cognitive load on a person, an increase in the efficiency of controlling the prosthesis, a reduction in the response time of the actuators, and prevention of false responses of the prosthesis due to the signal preprocessing method.
[00012] Еще одним дополнительным техническим результатом является упрощение процедуры установки и настройки системы «протез-считывающее устройство» за счет модульности системы - считывающее устройство является портативным, и требует примерного позиционирования при размещении, и является легкосъемным. Протез в свою очередь надевается посредством культеприемника, и связан со считывающим устройством только беспроводными каналом передачи данных.[00012] Another additional technical result is the simplification of the installation and configuration of the prosthesis-reader system due to the modularity of the system — the reader is portable, and requires approximate positioning when placed, and is easily removable. The prosthesis, in turn, is worn through a body receiver, and is connected to the reader only with a wireless data channel.
[00013] Понижение когнитивной нагрузки на человека и повышение эффективности управления протезом достигается за счет использования гибридной системы управления, которая сочетает в себе способы декодирования электронейромиосигналов с элементами автономных роботизированных манипуляций по захвату предмета при достижении порогового значения расстояния до него посредством принятия решения, не требующего участия пользователя, о начале или прекращении выполнения схвата с помощью информации от дополнительных датчиков (температуры и расстояния), и о силе сжатия предмета с помощью информации от датчиков.[00013] Reducing the cognitive load on a person and increasing the efficiency of controlling the prosthesis is achieved through the use of a hybrid control system that combines methods for decoding electroneuromyosignals with elements of autonomous robotic manipulations to capture an object when a threshold distance to it is reached by making a decision that does not require participation the user about the beginning or termination of the grip using information from additional sensors (temperature and distance ’), and about the compression force of an object using information from sensors.
[00014] Точность классификации и предотвращения ложного срабатывания протеза достигаются за счет одновременного формирования максимального значения и средней длительности превышения порогового значения нейромиосигнала в окне данных в режиме реального времени, затем после центрирования и нормализации принимается решение о возникновении управляющего сигнала.[00014] The accuracy of the classification and prevention of false alarms of the prosthesis is achieved by simultaneously generating the maximum value and the average duration of exceeding the threshold value of the neuromial signal in the data window in real time, then after centering and normalization, a decision is made about the occurrence of a control signal.
[00015] Расположение микроконтроллера, выполненного с возможностью модульной сборки в протезе, позволяет приблизить искусственную конечность по весу и размеру к естественной.[00015] The location of the microcontroller, made with the possibility of modular assembly in the prosthesis, allows you to bring the artificial limb in weight and size to natural.
[00016] Использование обратной связи, реализуемой с помощью датчиков температуры, расстояния, момента и позиции, расположенных в протезе, позволяет обезопасить использование протеза и предоставить максимальные возможности по управлению.[00016] Using feedback provided by temperature, distance, moment, and position sensors located in the prosthesis allows you to secure the use of the prosthesis and provide maximum control capabilities.
[00017] Использование беспроводной передачи данных между протезом и системой считывания обеспечивает удобство использования системы и взаимозаменяемость компонентов, кроме того, возможность их использования независимо друг от друга.[00017] The use of wireless data transfer between the prosthesis and the reading system provides the usability of the system and the interchangeability of components, in addition, the possibility of their use independently of each other.
[00018] Указанный технический результат достигается благодаря способу управления интеллектуальной бионической конечностью, в котором получают по меньшей мере один ЭМГ-сигнал пациента посредством миоэлектрического устройства считывания; осуществляют обработку по меньшей мере одного ЭМГ-сигнала пациента посредством неперекрывающейся сегментации ЭМГ-сигнала; для каждого сегмента, полученного на предыдущем шаге, формируют набор признаков ЭМГ-сигнала на основе амплитуды ЭМГ-сигнала для классификации жестов; передают набор признаков ЭМГ-сигнала каждого сегмента по каналу передачи данных в систему управления интеллектуальной бионической конечностью; определяют тип жеста на основании набора признаков ЭМГ сигнала посредством использования искусственной нейронной сети; формируют управляющий сигнал на основании определенного типа жеста; передают сформированный управляющий сигнал на двигатели, приводящие в движение пальцы бионической конечности; получают обратную связь от системы управления интеллектуальной бионической конечностью посредством получения информации от внешних датчиков.[00018] The specified technical result is achieved due to the method of controlling the intellectual bionic limb, in which at least one EMG signal of the patient is received by means of a myoelectric reader; processing at least one patient EMG signal by means of non-overlapping segmentation of the EMG signal; for each segment obtained in the previous step, a set of features of the EMG signal is formed based on the amplitude of the EMG signal for classifying gestures; transmitting a set of features of the EMG signal of each segment over the data channel to the intelligent bionic limb control system; determine the type of gesture based on a set of signs of the EMG signal by using an artificial neural network; generating a control signal based on a certain type of gesture; transmit the generated control signal to the engines, driving the fingers of the bionic limb; receive feedback from the control system of the intellectual bionic limb by receiving information from external sensors.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
[00019] Признаки и преимущества настоящего технического решения станут очевидными из приводимого ниже подробного описания и прилагаемых чертежей, на которых:[00019] The features and advantages of this technical solution will become apparent from the following detailed description and the accompanying drawings, in which:
[00020] Фиг. 1 (а, б) представляет пример осуществления настройки и функционирования системы управления интеллектуальной бионической конечностью.[00020] FIG. 1 (a, b) presents an example of the configuration and functioning of the control system of the intellectual bionic limb.
[00021] Фиг. 2 описывает общую структуру технического решения.[00021] FIG. 2 describes the general structure of a technical solution.
[00022] Фиг. 3 представляет блок-схему реализации системы управления интеллектуальной бионической конечностью.[00022] FIG. 3 is a block diagram of an implementation of an intelligent bionic limb control system.
[00023] Фиг. 4 представляет пример схемы реализации получения данных в виде миоэлектрической системы считывания (поз. 14 - система считывания, поз.15 - датчик регистрации биопотенциалов, поз. 16 - эластичная манжета).[00023] FIG. 4 represents an example of a data acquisition implementation scheme in the form of a myoelectric reading system (
[00024] Фиг. 5 показывает составные части бионического протеза руки в виде миоэлектрической системы считывания (поз. 17), культеприемника (поз. 18) и протеза кисти (поз. 19) и их примерное расположение на конечности.[00024] FIG. 5 shows the components of a bionic prosthesis of the hand in the form of a myoelectric reading system (pos. 17), a body receiver (pos. 18) and a hand prosthesis (pos. 19) and their approximate location on the limb.
[00025] Фиг. 6 показывает пример электромиографического сигнала, зарегистрированного при волевом усилии с мышц предплечья.[00025] FIG. 6 shows an example of an electromyographic signal recorded with a volitional effort from the muscles of the forearm.
[00026] Фиг. 7 показывает примерную схему реализации ЭМГ-датчика с использованием более предпочтительного для долговременного использования сухого контакта.[00026] FIG. 7 shows an exemplary embodiment of an EMG sensor using a dry contact more preferred for long-term use.
[00027] Фиг. 8 представляет пример размещения датчиков обратной связи на интеллектуальной бионической конечности.[00027] FIG. 8 is an example of placing feedback sensors on an intelligent bionic limb.
[00028] Фиг. 9 (а, б) представляет механизм привода пальца в прямом и согнутом состоянии.[00028] FIG. 9 (a, b) represents the finger drive mechanism in a straight and bent state.
[00029] поз. 6 Зубчатое колесо.[00029]
[00030] поз. 7 Резьбовой плунжер.[00030]
[00031] поз. 8 Гайка.[00031] pos. 8 Nut.
[00032] поз. 9 Рычаг-привод.[00032]
[00033] поз. 10 Зубчатое колесо большое.[00033] Pos. 10 The gear is large.
[00034] поз. 11 Микродвигатель-редуктор.[00034] pos. 11 Micromotor gear.
[00035] поз. 12 Сустав-узел поворота закрепленный на пясти.[00035] Pos. 12 Joint-knot of rotation fixed on the metacarpus.
[00036] поз. 13 Первая фаланга пальца.[00036] pos. 13 The first phalanx of the finger.
[00037] поз. 14 Сустав-узел поворота пальца.[00037]
[00038] поз. 15 Вторая фаланга пальца.[00038]
[00039] Фиг. 10 показывает размещение платы управления и приводов в кисти интеллектуальной бионической конечности.[00039] FIG. 10 shows the placement of the control board and drives in the brush of an intellectual bionic limb.
[00040] Фиг. 11 показывает пример осуществления обработки сигнала от системы считывания.[00040] FIG. 11 shows an example of processing a signal from a reading system.
[00041] Фиг. 12 показывает временные функции для выделения признаков ЭМГ-сигнала.[00041] FIG. 12 shows time functions for extracting features of an EMG signal.
[00042] Фиг. 13 показывает захват данных по ортонормированному базису с помощью ротации. Слева: попытка нейрона приспособиться, чтобы покрыть новые данные. Справа: конечное положение нейрона после нового покрытия данных.[00042] FIG. 13 shows data capture on an orthonormal basis using rotation. Left: neuron trying to adapt to cover new data. Right: end position of a neuron after a new data coverage.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF THE TECHNICAL SOLUTION
[00043] Ниже будут описаны понятия и определения, необходимые для подробного раскрытия осуществляемого технического решения.[00043] Below will be described the concepts and definitions necessary for the detailed disclosure of the ongoing technical solution.
[00044] Техническое решение может быть реализовано в виде распределенной компьютерной системы.[00044] The technical solution may be implemented as a distributed computer system.
[00045] В данном решении под системой подразумевается компьютерная система, ЭВМ (электронно-вычислительная машина), ЧПУ (числовое программное управление), ПЛК (программируемый логический контроллер), компьютеризированные системы управления и любые другие устройства, способные выполнять заданную, четко определенную последовательность операций (действий, инструкций).[00045] In this solution, a system means a computer system, a computer (electronic computer), CNC (numerical control), PLC (programmable logic controller), computerized control systems, and any other devices that can perform a given, well-defined sequence of operations (actions, instructions).
[00046] Под устройством обработки команд подразумевается электронный блок либо интегральная схема (микропроцессор), исполняющая машинные инструкции (программы).[00046] An instruction processing device is understood to mean an electronic unit or an integrated circuit (microprocessor) that executes machine instructions (programs).
[00047] Устройство обработки команд считывает и выполняет машинные инструкции (программы) с одного или более устройства хранения данных. В роли устройства хранения данных могут выступать, но, не ограничиваясь, жесткие диски (HDD), флеш-память, ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), твердотельные накопители (SSD), оптические носители (CD, DVD и т.п.).[00047] An instruction processing device reads and executes machine instructions (programs) from one or more data storage devices. Storage devices may include, but are not limited to, hard disks (HDD), flash memory, ROM (read only memory), solid state drives (SSD), optical media (CD, DVD, etc.).
[00048] Программа - последовательность инструкций, предназначенных для исполнения устройством управления вычислительной машины или устройством обработки команд.[00048] A program is a sequence of instructions for execution by a computer control device or an instruction processing device.
[00049] Электромиография (ЭМГ, ЭНМГ, миография, электронейромиография) - метод исследования биоэлектрических потенциалов, возникающих в скелетных мышцах человека и животных при возбуждении мышечных волокон; регистрация электрической активности мышц.[00049] Electromyography (EMG, ENMG, myography, electroneuromyography) is a method for studying the bioelectric potentials that arise in the skeletal muscles of humans and animals upon excitation of muscle fibers; registration of muscle electrical activity.
[00050] Культеприемник - часть протеза конечности, предназначенная для помещения культи.[00050] A culture receptacle is a part of a limb prosthesis intended to house a stump.
[00051] Электронейромиография (ЭНМГ) - это комплексное электрофизиологическое исследование, необходимое для определения функционального состояния периферической нервной системы и мышц [1].[00051] Electroneuromyography (ENMG) is a comprehensive electrophysiological study necessary to determine the functional state of the peripheral nervous system and muscles [1].
[00052] Способ физиологичного управления интеллектуальной бионической конечностью на основе распознавания жестов (обработка управляющего сигнала) осуществляют следующим образом.[00052] A method of physiological control of an intellectual bionic limb based on gesture recognition (processing a control signal) is as follows.
[00053] Предварительно осуществляют предобработку сигнала и создание входного вектора признаков ЭМГ-сигнала для классификации жестов пациента, которая может выполняться аналогичным образом и при настройке, и при работе системы.[00053] Pre-processing the signal and creating an input vector of signs of the EMG signal to classify the patient's gestures, which can be performed in a similar way during setup and during system operation.
[00054] Для того чтобы различать и классифицировать мышечные движения, должны быть извлечены наиболее значимые части ЭМГ (признаки), которые представляют собой характеристики с достаточной для классификации информацией. По данным исследований, для классификации ЭМГ-сигналов верхних конечностей применяются различные типы функций в частотной области, такие как коэффициенты авторегрессии, коэффициенты косинусного преобразования Фурье и вейвлет-коэффициенты.[00054] In order to distinguish and classify muscle movements, the most significant parts of EMG (signs), which are characteristics with sufficient information for classification, must be extracted. According to studies, various types of functions in the frequency domain are used to classify EMG signals of the upper extremities, such as autoregressive coefficients, cosine Fourier transform coefficients, and wavelet coefficients.
[00055] Более подходящими для анализа являются признаки ЭМГ-сигнала во временной области на основе амплитуд сигналов. Такие признаки могут быть легко определены, обладают высокой стабильностью для распознавания образов с помощью ЭМГ. Для достижения лучших результатов, функция (признак) должна содержать достаточное количество информации, чтобы представлять существенные свойства ЭМГ-сигнала, и должна быть достаточно простой для быстрой обработки и классификации. В некоторых вариантах осуществления в качестве признаков могут использоваться следующие величины во временной области, измеренные как функции времени: интегральная ЭМГ; среднее арифметическое; среднее значение модуля; конечные разности; сумма элементарных площадей; дисперсия; среднеквадратичное отклонение; длина сигнала; максимальное значение ЭМГ-сигнала, более подробно информация о выборе признаков для классификации раскрыта в работе авторов [2].[00055] More suitable for analysis are signs of an EMG signal in the time domain based on signal amplitudes. Such features can be easily identified, have high stability for pattern recognition using EMG. To achieve better results, the function (feature) should contain enough information to represent the essential properties of the EMG signal, and should be simple enough for quick processing and classification. In some embodiments, the following time-domain values, measured as functions of time, may be used as features: integral EMG; average; the average value of the module; finite differences; sum of elementary areas; dispersion; standard deviation; signal length; the maximum value of the EMG signal, in more detail, information on the selection of signs for classification is disclosed in the authors [2].
[00056] Формулы для расчета этих величин показаны на Фиг. 12.[00056] Formulas for calculating these values are shown in FIG. 12.
[00057] Оценка эффективности признаков осуществляется по двум главным параметрам - производительность нейронной сети и время работы - как наиболее важным для использования в реальном времени. Согласно предыдущим исследованиям, описанным в источнике информации [3], для условия выполнения требований работы в режиме реального времени время распознавания сигнала должно занимать не более 25 мс. Для комфортной работы пользователя производительность, или точность распознавания (процентное отношение верных случаев классификации ко всем рассматриваемым случаям) должна быть не ниже 95%, как показано в источнике [4]. Пример осуществления обработки сигнала представлен на Фиг. 11. С целью повышения точности классификации жеста и предотвращения ложного срабатывания бионической конечности на этапе предобработки сигнала, одновременно с вычислением максимального значения сегмента ЭМГ-сигнала, вычисляется средняя длительность превышения порогового значения ЭМГ-сигнала в окне данных в режиме реального времени, затем после центрирования и нормализации полученного сигнала принимается решение о возникновении управляющего сигнала.[00057] The evaluation of the effectiveness of signs is carried out according to two main parameters - the performance of the neural network and the operating time - as the most important for real-time use. According to previous studies described in the information source [3], for the conditions for fulfilling the requirements of real-time operation, the signal recognition time should take no more than 25 ms. For comfortable work of the user, the productivity or recognition accuracy (the percentage of correct classification cases to all cases considered) should be at least 95%, as shown in the source [4]. An example implementation of signal processing is shown in FIG. 11. In order to improve the accuracy of the classification of the gesture and prevent false triggering of the bionic limb at the signal pre-processing stage, simultaneously with calculating the maximum value of the EMG signal segment, the average duration of exceeding the threshold value of the EMG signal in the data window in real time is calculated, then after centering and normalization of the received signal, a decision is made on the occurrence of a control signal.
[00058] Данные нейромышечной активности (данные матрицы каналов электромиографа) получают от устройства миоэлектрического считывания и оцифровывают посредством АЦП, затем проверяют условие возникновения активного сигнала (соответствующего выполнению жеста), например, 30% от заданной в настройках амплитуды. Далее разбивают полученный оцифрованный сигнал неперекрывающимся окном на сегменты, длиной, например, 25 мс. В некоторых вариантах осуществления технического решения используют функцию максимального значения сегмента, как наиболее эффективную и легко вычисляемую. Для каждого сегмента вычисляется его максимальное значение по формуле:[00058] Neuromuscular activity data (matrix data of electromyograph channels) are obtained from the myoelectric reader and digitized by ADC, then the condition for the appearance of the active signal (corresponding to the gesture) is checked, for example, 30% of the amplitude specified in the settings. Next, the received digitized signal is broken by a non-overlapping window into segments, for example, 25 ms long. In some embodiments, the implementation of the technical solution uses the function of the maximum value of the segment, as the most effective and easily calculated. For each segment, its maximum value is calculated by the formula:
[00059] [00059]
[00060] где xk - k-й сегмент сигнала, xi - i-e значение сегмента. Далее полученные значения нормируются следующим образом:[00060] where x k is the kth segment of the signal, x i is the value of the segment. Further, the obtained values are normalized as follows:
[00061] [00061]
[00062] где X - массив данных сигнала, Xi - i-e значение сигнала;[00062] where X is the signal data array, X i is the signal value;
[00063] И центрируют:[00063] And center:
[00064] [00064]
[00065] Где - среднее арифметическое сигналах X.[00065] Where - the arithmetic mean of the signals X.
[00066] Таким образом, получают входной вектор признаков (по которому осуществляется классификация жестов) для каждого канала, с более низкой размерностью, чем у исходного сигнала (в зависимости от ширины окна): вектор длиной k вместо первоначального вектора длиной k*i, что снижает вычислительную нагрузку на микроконтроллер. Размерность понижается за счет того, что находят одно значение среди i значений.[00066] Thus, an input feature vector (by which gestures are classified) is obtained for each channel with a lower dimension than the original signal (depending on the window width): a vector of length k instead of the original vector of length k * i, which reduces the computing load on the microcontroller. The dimension is reduced due to the fact that they find one value among i values.
[00067] На этапе настройки системы после создания входного вектора признаков ЭМГ-сигнала происходит обучение искусственной нейронной сети (ИНС). В некоторых вариантах осуществления используют ИНС на основе радиальной базисной функции (но не ограничиваясь ей). В некоторых вариантах осуществления может использоваться многослойный персептрон нейронной сети или метод опорных векторов.[00067] At the stage of tuning the system after creating the input vector of signs of the EMG signal, training of the artificial neural network (ANN) takes place. In some embodiments, an ANN is used based on, but not limited to, the radial basis function. In some embodiments, a multilayer perceptron of a neural network or a support vector technique may be used.
[00068] Для того чтобы распознать жесты, извлеченные признаки должны быть классифицированы в отличительные классы. Классификатор должен быть в состоянии справиться с факторами, которые оказывают заметное влияние на шаблоны ЭМГ в течение времени, такие, как существенное изменение сигналов ЭМГ, расположение электродов, пот и усталость, описанные в источнике информации [5].[00068] In order to recognize gestures, the extracted features must be classified into distinctive classes. The classifier should be able to cope with factors that have a noticeable effect on EMG patterns over time, such as a significant change in EMG signals, the location of the electrodes, sweat and fatigue described in the information source [5].
[00069] Вышеуказанный способ использует трехзвенную архитектуру управления (база данных - сервер - клиент) при обработке набора признаков ЭМГ-сигнала.[00069] The above method uses a three-tier management architecture (database - server - client) when processing a set of features of the EMG signal.
[00070] Во входном слое количество нейронов равно размерности вектора признаков (который в данном случае равен числу каналов передачи данных, по которым передаются данные с датчиков), который в примере реализации изобретения может быть равен восьми: xi, i=1, 2…8. Скрытый слой, где число нейронов не было определено заранее, так как они были сформированы в ходе процедуры обучения, был разделен на четырнадцать субскрытых слоев (по количеству классов в учебных данных - четырнадцать жестов). В выходном слое число нейронов было равно количеству классов в наборе обучающих данных (четырнадцать нейронов).[00070] In the input layer, the number of neurons is equal to the dimension of the feature vector (which in this case is equal to the number of data channels through which data from the sensors are transmitted), which in the example implementation of the invention can be eight: x i , i = 1, 2 ... 8. The hidden layer, where the number of neurons was not determined in advance, since they were formed during the training procedure, was divided into fourteen sub-hidden layers (fourteen gestures by the number of classes in the training data). In the output layer, the number of neurons was equal to the number of classes in the training data set (fourteen neurons).
Базисной функцией нейронной сети в скрытом слое является функция Гаусса, а выход k-го нейрна в скрытом слое для каждого данного входа X=[x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8]T может вычисляться по следующей формуле:The basic function of the neural network in the hidden layer is the Gaussian function, and the output of the kth neural in the hidden layer for each given input X = [x 1 , x 2 , x 3 , x 4 , x 5 , x 6 , x 7 , x 8 ] T can be calculated using the following formula:
Это уравнение описывает 8-мерный гауссиан с центром в точке C=[C1,C2,C3,C4,C5,C6,C7,C8,C3]T и вращается вдоль ортонормированного базиса {U1,U2,U3,U4,U5,U6,U7,U8}, что позволяет нейрону покрывать поле данных соседа без смещения или любого изменения размера. Ширина этого гауссиана вдоль каждой оси равна a i, i=1, 2…8.This equation describes an 8-dimensional Gaussian centered at C = [C 1 , C 2 , C 3 , C 4 , C 5 , C 6 , C 7 , C 8 , C 3 ] T and rotates along the orthonormal basis {U 1 , U 2 , U 3 , U 4 , U 5 , U 6 , U 7 , U 8 }, which allows the neuron to cover the data field of the neighbor without offset or any size change. The width of this Gaussian along each axis is a i , i = 1, 2 ... 8.
Поскольку входные векторы признаков для каждого образа являются восьмимерными, координаты, соответствующие этим векторам, представляют собой базис вида [1,0,0,0,0,0,0,0]T, [0,1,0,0,0,0,0,0]T … [0,0,0,0,0,0,0,1]T. Таким образом, компонента xi каждого входного вектора X по отношению к новым осям может быть вычислена как:Since the input feature vectors for each image are eight-dimensional, the coordinates corresponding to these vectors represent a basis of the form [1,0,0,0,0,0,0,0,0] T , [0,1,0,0,0, 0,0,0] T ... [0,0,0,0,0,0,0,0,1] T. Thus, the component x i of each input vector X with respect to the new axes can be calculated as:
Вращение вдоль базисных векторов позволяет нейронам покрыть все близлежащие данные без увеличения радиуса. На Фиг. 13 показано, каким образом нейрон пытается приспособиться, чтобы покрыть новые данные; в правой части рисунка показано нахождение данных нейроном.Rotation along the basis vectors allows neurons to cover all nearby data without increasing the radius. In FIG. Figure 13 shows how a neuron tries to adapt to cover new data; the right side of the figure shows the location of the data by the neuron.
Во время настройки системы происходит запись сигнала пользователя в базу данных, данные в которой накапливаются, и используются для дообучения сети. Для каждого пользователя имеется вектор признаков с размером 8×N (где 8 - число каналов, N - число обучающих данных), полученный с помощью описанного выше способа (сегментации неперекрывающимимся окнами). Перед процедурой обучения каждый набор данных перемешивается, а затем делится на наборы в соотношении 2:1:1 (по числу обучающих данных N) с данными для этапов обучения, тестирования и контроля соответственно.During the setup of the system, the user signal is recorded in the database, the data in which are accumulated, and used to retrain the network. For each user, there is a feature vector with a size of 8 × N (where 8 is the number of channels, N is the number of training data) obtained using the method described above (segmentation by non-overlapping windows). Before the training procedure, each data set is mixed and then divided into sets in a ratio of 2: 1: 1 (according to the number of training data N) with data for the stages of training, testing and control, respectively.
Ортонормированный базис вычисляется через собственный вектор ковариационной матрицы. Поскольку обучающие данные вводятся в сеть последовательно, вектор средней и ковариационная матрица вычисляются рекурсивно. Для N выборок X={x1, x2, …, xN}, в котором , j=1, …, N вектор средних значений рассчитывается следующим образом:The orthonormal basis is calculated through the eigenvector of the covariance matrix. Since the training data is entered into the network sequentially, the mean vector and covariance matrix are calculated recursively. For N samples, X = {x 1 , x 2 , ..., x N }, in which , j = 1, ..., N, the vector of average values is calculated as follows:
где - это вектор средних значений множества данных X;Where is the vector of average values of the data set X;
XN+1 - новый вектор данных, добавляемый во множество данных X.X N + 1 is a new data vector added to the data set X.
Затем ковариационная матрица вычисляется как:Then the covariance matrix is calculated as:
Чтобы найти ортонормированный базис для РБФ, используется концепция анализа главных компонент. Собственные величины {λ1, λ2, λ3, λ4, λ5, λб, λ7, λ8} и соответствующие им собственные векторы {U1,U2,U3,U4,U5,U6,U7,U8}вычисляются от уровня ковариационной матрицы. Далее множество собственных ортогональных векторов образуют ортонормированный базис, что показано в источнике информации [6].To find an orthonormal basis for RBF, the concept of principal component analysis is used. The eigenvalues {λ 1 , λ 2 , λ 3 , λ 4 , λ 5 , λ b , λ 7 , λ 8 } and the corresponding eigenvectors {U 1 , U 2 , U 3 , U 4 , U 5 , U 6 , U 7 , U 8 } are calculated from the level of the covariance matrix. Further, the set of eigenvalues of the orthogonal vectors form an orthonormal basis, as shown in the information source [6].
Процедуру обучения нейронной сети во время настройки системы более подробно можно описать следующим образом.The procedure for training a neural network during system setup can be described in more detail as follows.
[00071] Пусть X={(xj, tj)|1≤j≤N} есть множество N обучающих данных (обучающая выборка), где xj является вектор-функцией (компонент , где - множество обучающих данных) и tj является классом, с которым необходимо соотнести жест. Пусть Ωk={Ωk|1≤k≤m} это набор из m нейронов. Каждый нейрон имеет пять параметров:[00071] Let X = {(x j , t j ) | 1≤j≤N} be the set N of training data (training set), where x j is a vector function (component where is the set of training data) and t j is the class with which the gesture needs to be associated. Let Ω k = {Ω k | 1≤k≤m} be a set of m neurons. Each neuron has five parameters:
[00072] [00072]
[00073] где Ck - центр k-го нейрона, Sk - ковариационная матрица k-го нейрона, Nk - это количество данных, соответствующих k-му нейрону, Ak - ширина вектора k-го нейрона, и dk - класс-метка k-го нейрона.[00073] where C k is the center of the kth neuron, S k is the covariance matrix of the kth neuron, N k is the amount of data corresponding to the kth neuron, A k is the width of the vector of the kth neuron, and d k is class label of the k-th neuron.
[00074] Вся процедура обучения может быть сведена к следующим шагам.[00074] The entire training procedure can be reduced to the following steps.
[00075] Осуществляется инициализация вектора ширины пространства. В данном случае используется восьмимерный вектор признаков, для простоты расчетов примем радиус восьмимерной сферы Гаусса равным 1:А0=[1; 1; 1; 1; 1; 1; 1; 1]T.[00075] The space width vector is initialized. In this case, an eight-dimensional vector of features is used. For simplicity of calculations, we assume the radius of the eight-dimensional Gaussian sphere to be 1: A 0 = [1; one; one; one; one; one; one; 1] T.
[00076] Затем на вход ИНС подается множество обучающих данных (xj, tj). Когда нейрона нет в составе сети (K=0), K= K+1, новый нейрон Ωk формируется с учетом следующих параметров: , , Nk=1, dk=tj, Ak=A0. Затем обучающие данные сбрасываются. Если K≠0, ближайший нейрон в скрытом слое Ωk∈Ω находится так, что dk=tj, и , ; и вектор средних значений и ковариационная матрица обновляются.[00076] Then, a lot of training data (x j , t j ) is input to the ANN. When a neuron is not in the network (K = 0), K = K + 1, a new neuron Ω k is formed taking into account the following parameters: , , N k = 1, d k = t j , A k = A 0 . Then the training data is discarded. If K ≠ 0, the nearest neuron in the hidden layer Ω k ∈Ω is such that d k = t j , and , ; and the mean vector and covariance matrix are updated.
[00077] Далее определяют ортонормированный базис Ωk, после чего на выходе k-го нейрона определяют значение:[00077] Next, determine the orthonormal basis Ω k , after which the value is determined at the output of the k-th neuron:
[00078] [00078]
где Xj - j-e значение входа и цели, - центр нового нейрона, - координата ортонормированного базиса, - координата вектора ширины гауссиана.where X j - je is the value of the input and the target, is the center of the new neuron, - coordinate of the orthonormal basis, - coordinate of the Gaussian width vector.
[00079] Если значение ψk(Xj)≤0, то нейрон охватывает данные так, что временные параметры настраиваются на его основные параметры. В противном случае, при ψk(Xj)>0, создается новый нейрон.[00079] If the value of ψ k (X j ) ≤0, then the neuron spans the data so that the temporal parameters are tuned to its main parameters. Otherwise, for ψ k (X j )> 0, a new neuron is created.
[00080] Поскольку новые нейроны могут быть автоматически добавлены к сети и располагаться очень близко друг к другу, возможна реализация стратегии слияния нескольких нейронов во избежание роста сети до максимальной структуры (одного нейрона для каждой единицы данных), что подробно описано в источнике информации [7].[00080] Since new neurons can be automatically added to the network and located very close to each other, it is possible to implement a strategy of merging several neurons to prevent the network from growing to its maximum structure (one neuron for each data unit), which is described in detail in the information source [7 ].
[00081] Обученная нейронная сеть позволяет точно подстроиться под пациента. В результате обучения ИНС сохраняют новые значения весовых коэффициентов нейронной сети в микропроцессор протеза напрямую или в хранилище данных.[00081] A trained neural network allows you to precisely adapt to the patient. As a result of training, ANNs store new values of the neural network weighting coefficients in the prosthesis microprocessor directly or in the data warehouse.
[00082] Однако следует учитывать, что другие типы ИНС, как и другие методы классификации, также могут быть осуществлены в данном изобретении специалистом в своей области.[00082] However, it should be borne in mind that other types of ANNs, as well as other classification methods, can also be carried out in this invention by a specialist in their field.
[00083] В процессе работы системы результат распознавания жеста преобразуется в соответствующую управляющую команду (например, мысленное сжатие в «кулак» пользователем - «кулак» на протезе) и передается на приводы бионического протеза кисти.[00083] During the operation of the system, the result of gesture recognition is converted into the appropriate control command (for example, mental compression into a “fist” by the user - a “fist” on the prosthesis) and transmitted to the bionic prosthesis drives of the hand.
[00084] Система физиологичного управления интеллектуальной бионической конечностью на основе распознавания жестов (обработка управляющего сигнала) осуществляют следующим образом.[00084] The physiological control system of an intellectual bionic limb based on gesture recognition (processing a control signal) is as follows.
[00085] Вышеуказанная система состоит из миоэлектрического устройства считывания биопотенциалов, которое может быть конструктивно выполнено в виде легкосъемного эластичного браслета (показан на Фиг. 4 поз. 14). В данном устройстве располагаются электроды для регистрации активности нервно-мышечной системы (поз. 15), возникающей в ответ на фантомное движение пациента. Причем браслет может быть размещен на предплечье или на плече и выполнен с возможностью передачи управляющего сигнала протезу кисти.[00085] The above system consists of a myoelectric biopotential reader, which can be structurally designed as an easily removable elastic bracelet (shown in Fig. 4, item 14). This device contains electrodes for recording the activity of the neuromuscular system (pos. 15) that occurs in response to the phantom movement of the patient. Moreover, the bracelet can be placed on the forearm or on the shoulder and is configured to transmit a control signal to the brush prosthesis.
[00086] В данном браслете может находиться датчик беспроводной передачи данных, причем, не ограничиваясь, могут использоваться технологии беспроводной передачи данных Bluetooth или Wi-Fi, или ZigBee.[00086] This bracelet may include a wireless data sensor, and, without limitation, Bluetooth or Wi-Fi, or ZigBee wireless technology may be used.
[00087] В легкосъемном браслете, надеваемом на плечо или предплечье, размещены, по меньшей мере один датчик электромиограммы, (далее датчик ЭМГ), с операционными усилителями, фильтры нижних и верхних частот, аналого-цифровые преобразователи (АЦП), микропроцессор, микроконтроллер, преобразователь напряжения и аккумуляторы.[00087] At least one electromyogram sensor (hereinafter referred to as EMG sensor), with operational amplifiers, low-pass and high-pass filters, analog-to-digital converters (ADCs), a microprocessor, a microcontroller, are placed in an easily removable bracelet worn on a shoulder or forearm; voltage converter and batteries.
[00088] Датчик ЭМГ в некоторых вариантах осуществления представляет собой набор пластин электродов, размещенных на подложке из диэлектрика. В разных вариантах осуществления технического решения электроды могут быть выполнены из нержавеющей стали или из слабополяризующихся проводящих материалов (например, из нержавеющей стали марки 12Х18Н10). В некоторых вариантах осуществления электроды могут быть выполнены следующих размеров: квадрат 1×1 см для приемной пластины (2 штуки) и прямоугольник 1×0,5 см для референта, не ограничиваясь. Специалисту в данной области техники очевидно, что размер электродов может быть выполнен в другом размере, учитывая, что размер пластины влияет на амплитуду сигнала и уровень перекрестных помех.[00088] The EMG sensor in some embodiments is a set of electrode plates placed on a dielectric substrate. In various embodiments of the technical solution, the electrodes can be made of stainless steel or of slightly polarizing conductive materials (for example, stainless steel grade 12X18H10). In some embodiments, the electrodes can be made in the following sizes: 1 × 1 cm square for the receiving plate (2 pieces) and 1 × 0.5 cm rectangle for the referent, not limited to. One skilled in the art will appreciate that the size of the electrodes can be made in a different size, given that the plate size affects the signal amplitude and crosstalk.
[00089] На подложку электрода сверху устанавливается плата усилителя биопотенциалов, которая может состоять из инструментального (дифференциального) усилителя (например, такого как INA114), фильтров нижних и верхних частот, выполненных на пассивных элементах в виде RC цепочек или на активных элементах. Через гибкие шлейфы датчики подсоединяются к плате микропроцессора, где может происходить оцифровка посредством аналого-цифрового преобразования и передача его на микроконтроллер (например, 2x 16ти битных АЦП ADS1115 и предварительная обработка сигнала на контроллере ARM микропроцессора Cortex М4).[00089] A biopotential amplifier board is installed on top of the electrode substrate, which may consist of a tool (differential) amplifier (for example, such as INA114), low-pass and high-pass filters made on passive elements in the form of RC circuits or on active elements. Through flexible loops, the sensors are connected to the microprocessor board, where they can be digitized by analog-to-digital conversion and transferred to a microcontroller (for example, 2x 16-bit ADS1115 ADCs and signal preprocessing on the Cortex M4 microprocessor ARM controller).
[00090] При волевом сокращении мышцы пациентом активными электродами регистрируется разность потенциалов в низкочастотном диапазоне, возникающая в нервно-мышечной ткани.[00090] In a voluntary contraction of a muscle by a patient with active electrodes, a potential difference in the low frequency range that occurs in the neuromuscular tissue is recorded.
[00091] Следует особо подчеркнуть необходимость надежного способа снятия управляющего сигнала. Частотный состав электромиограммы у лиц с ампутацией, согласно исследованиям, представлен сильно зашумленным сигналом в диапазоне 0,5-300 Гц и амплитудой сигнала от 1 мкВ до 2 мВ (Фиг. 6).[00091] It should be emphasized the need for a reliable method of removing the control signal. The frequency composition of the electromyogram in individuals with amputation, according to studies, is represented by a highly noisy signal in the range of 0.5-300 Hz and a signal amplitude of 1 μV to 2 mV (Fig. 6).
[00092] Осуществление технического решения (Фиг. 1а) может происходить следующим образом. Пациент выполняет заданные жесты, при этом миоэлектрическое устройство считывания передает данные пользователя на устройство обработки данных по беспроводному каналу передачи данных (например, с использованием стандарта Bluetooth 4.0), где происходит создание профиля пользователя. Затем созданный профиль записывается на микроконтроллер.[00092] The implementation of the technical solution (Fig. 1A) can occur as follows. The patient performs the specified gestures, while the myoelectric reader transmits user data to the data processing device via a wireless data transmission channel (for example, using the Bluetooth 4.0 standard), where the user profile is created. Then, the created profile is recorded on the microcontroller.
[00093] Миоэлектрическое устройство считывания осуществляет регистрацию и фильтрацию электромиограммы (ЭМГ) и передачу данных по беспроводному каналу связи (например, с использованием стандарта Bluetooth 4.0, но не ограничиваясь им) на плату управления протезом кисти, размещение которой показано на Фиг. 10 (поз. 20). Способ обработки сигнала более подробно раскрыт выше.[00093] A myoelectric reader performs registration and filtering of an electromyogram (EMG) and data transmission over a wireless communication channel (for example, using the Bluetooth 4.0 standard, but not limited to it) to the brush prosthesis control board, the placement of which is shown in FIG. 10 (item 20). The signal processing method is described in more detail above.
[00094] Фиг. 10 представляет собой вид сверху протеза кисти руки, который включает в себя ладонную часть руки, запястье и рычажную часть.[00094] FIG. 10 is a plan view of a prosthesis of the hand that includes the palm of the hand, wrist and lever portion.
[00095] Как показано на Фиг. 8, индикаторы расположены в ладонной части протеза. Плата управления протезом подключается к светодиодным индикаторам, отображающим различные цвета: красный, зеленый, оранжевый и другие цвета, для предоставления различную информации/обратную связь пользователю протеза (например, при необходимости осуществить более сильное сжатие или повторить жест, или при невозможности выполнения захвата предмета из-за неподходящей температуры).[00095] As shown in FIG. 8, indicators are located in the palmar part of the prosthesis. The prosthesis control board is connected to LED indicators that display different colors: red, green, orange and other colors, to provide various information / feedback to the prosthesis user (for example, if necessary, perform stronger compression or repeat a gesture, or if it is impossible to capture an object from due to inappropriate temperature).
[00096] Система управления интеллектуальной бионической конечностью также включает в себя:[00096] An intelligent bionic limb control system also includes:
[00097] сеть контроллера (контроллерную сеть), которая обеспечивает модульную, надежную и отказоустойчивую схему взаимодействия для обмена данными между контроллером и остальными управляющими и исполнительными органами бионического протеза, и которая обеспечивает передачу контроллеру намерений от нервно-мышечной системы пользователя;[00097] a controller network (controller network), which provides a modular, reliable and fault-tolerant interaction scheme for exchanging data between the controller and the rest of the control and executive bodies of the bionic prosthesis, and which transfers intentions from the user's neuromuscular system to the controller;
[00098] источник питания;[00098] a power source;
[00099] разноцветные поверхностные светоизлучающие диодные, вибро- и звуковые индикаторы (LED), расположенные в протезе, с помощью которых посредством контроллера обеспечивается обратная связь с пациентом.[00099] multi-colored surface light emitting diode, vibration and sound indicators (LEDs) located in the prosthesis, by which through the controller provides feedback to the patient.
[000100] Примерные варианты осуществления системы управления интеллектуальной бионической конечностью включают в себя контроллер 301 (не более 2×3 см), который принимает данные о результате распознавания, осуществляет обмен данными и управление двигателями пальцев, температурными, позиционными, контактными датчиками и датчиками момента, а также вибро- и цветовыми индикаторами в интеллектуальном бионическом протезе.[000100] Exemplary embodiments of an intelligent bionic limb control system include a controller 301 (no more than 2 × 3 cm) that receives data about a recognition result, exchanges data and controls finger motors, temperature, position, contact sensors and torque sensors, as well as vibration and color indicators in an intelligent bionic prosthesis.
[000101] Контроллер в некоторых вариантах осуществления может включать в себя блок обработки,[000101] The controller, in some embodiments, may include a processing unit,
[000102] блок интерфейса, который физически отделен от блока обработки, причем вышеуказанные блоки могут соединяться гибким шлейфом, что позволяет осуществлять гибкое построение интерфейса без изменения соответствующего элемента управления программным обеспечением.[000102] an interface unit that is physically separated from the processing unit, wherein the above units can be connected by a flexible cable, which allows for flexible construction of the interface without changing the corresponding software control element.
[000103] Данная архитектура также обеспечивает гибкое управление питанием протеза, значительно увеличивая срок службы батареи, т.к. благодаря такой организации неиспользуемый в данный момент блок находится в состоянии ожидания и пониженного энергопотребления.[000103] This architecture also provides flexible power management for the prosthesis, significantly increasing battery life, as Thanks to such an organization, the currently unused unit is in a state of standby and low power consumption.
[000104] На Фиг. 3 показана блок-схема системы управления интеллектуальной бионической конечностью, которая включает в себя контроллер протеза 301, шину 302, и по меньшей мере одну шину пальцев 303 (на Фиг. 3 показана только одна из них). Шина 302 и шина пальца 303 подключены к контроллеру протеза 301 с помощью интерфейса ввода-вывода 304.[000104] In FIG. 3 shows a block diagram of an intelligent bionic limb control system, which includes a
[000105] Контроллер 301 протеза может являться одним из компонентов протеза (не показанного на данной схеме). Контроллер 301 протеза является центральным звеном управления протезом. Таким образом, контроллер 301 протеза, который может быть конструктивно размещен внутри протеза (и, в одном из вариантов, может быть полностью размещен в ладонной части руки), несет ответственность за высокий уровень координированного управления рукой и крупными моторными суставами, а также разнообразные функции, связанные с внутренними нюансами работы протеза.[000105] The
[000106] Также, в случае необходимости, в некоторых вариантах осуществления контроллер 301 протеза может быть размещен вне протеза.[000106] Also, if necessary, in some embodiments, the
[000107] Одна из функций контроллера 301 протеза - это управление движением протеза.[000107] One of the functions of the
[000108] Соответственно, команды о намерении пользователя передаются блоком 305 ЭНМ интерфейса (электронейромиоинтерфейса), который взаимодействует с контроллером 301 конечности посредством шины 302 и интерфейса ввода-вывода 304, как показано на Фиг. 3. Команды из блока 305 ЭНМ интерфейса, а также информация от контроллера 306 крупноманипуляционного привода и по меньшей мере одного контроллера 307 мелкоманипуляционного привода (на Фиг. 3 показан один из них), которые поступают через шину 302 и шины 303 пальцев, позволяют способу управления интеллектуальной бионической конечностью, описанному выше, в контроллере 301 генерировать новые команды для управления крупноманипуляционными приводами и мелкоманипуляционными приводами.[000108] Accordingly, user intention commands are transmitted by the
[000109] Контроллер 301 протеза также обеспечивает передачу сенсорных данных от датчиков в протезе с помощью вибродатчика, либо с помощью слабого электрического импульса.[000109] The
[000110] Эта обратная тактильная связь позволяет пациенту ощущать внешние условия, не будучи ограниченным только визуальной или звуковой обратной связью.[000110] This tactile feedback allows the patient to sense external conditions without being limited only by visual or auditory feedback.
[000111] Контроллер 301 протеза также получает и обрабатывает сенсорную информацию, такую как температура предмета, положение протеза, крутящий момент и вибрация. Для этого на поверхности протеза размещены датчик 308 температуры, позиционный датчик 309, датчик 310 контакта и датчик 311 крутящего момента соответственно.[000111] The
[000112] Как показано на Фиг. 3, контроллер 307 мелкоманипуляционного привода получает информацию от датчиков 308 температуры, позиционного датчика 309, датчика 310 контакта и датчика 311 крутящего момента.[000112] As shown in FIG. 3, the small
[000113] В некоторых вариантах осуществления, два позиционных датчика 309 (или более) могут быть подключены к контроллеру 306. Кроме того, контроллер 306 крупноманипуляционного привода может иметь подключенные датчики, например один или более температурный датчик 308 или датчик 311 крутящего момента, как показано на Фиг. 3.[000113] In some embodiments, two position sensors 309 (or more) may be connected to the controller 306. In addition, the large manipulator drive controller 306 may have sensors connected, for example, one or
[000114] Как показано на Фиг. 3, система управления интеллектуальной бионической конечностью в соответствии с вариантом осуществления включает в себя, по меньшей мере, один узел 312 датчиков кончика пальца протеза, соединенный с контроллером 301 протеза с помощью шины 303 пальца, а также контроллер 313 сокета, подключенный к разъему контроллера 301 протеза через шину 302.[000114] As shown in FIG. 3, an intelligent bionic limb control system in accordance with an embodiment includes at least one prosthesis
[000115] Узел 312 датчиков кончика пальца имеет набор датчиков (не показаны на фигуре), в том числе, но не ограничиваясь ими: позиционные датчики (например, потенциометр или датчики Холла), контактные датчики (например, поливинилиден дифторидный контактный датчик), и датчики температуры, каждый из которых обеспечивает информацию о различном положении, крутящем моменте и/или входах тактильной обратной связи контроллеру 301 протеза. Эти датчики, распределенные по всей конечности, обеспечивают входы для усовершенствованных способов управления, выполняющихся на контроллер 301 протеза, а также для тактильной обратной связи с пользователем.[000115] The
[000116] В дополнительных вариантах осуществления изобретения контроллер 301 протеза использует шину 302 для взаимодействия с дополнительными устройствами и/или аксессуарами, такими как устройства радиочастотной идентификации (RFID датчики), смартфоны и персональные цифровые помощники, хотя дополнительные или альтернативные варианты осуществления изобретения не ограничивается этими примерами.[000116] In further embodiments, the
[000117] Протез кисти может представлять собой металлопластмассовый каркас пясти с пятью электродвигателями и пяти металлокаркасов пальцев, связанных с пястью рычажноплунжерной системой (мехатроника). Входной вектор признаков классифицируется алгоритмом нейронной сети по типу «обучение с учителем» в микропроцессоре Cortex М4, установленным в плате управления поз.20 см. Фиг. 9а, где каждому набору признаков ЭМГ, полученной от волевого сокращения мышцы, присваивается соответствующий управляющий сигнал для передачи приводному механизму протеза. При подаче сигнала от платы 20 управления (см. Фиг. 9а) на двигатель 11, гайка 8 совместно с рычагом приводом выдвигается (втягивается) в положение, показанное на Фиг. 9б, чем обеспечивается состояние «схват» или открытие ладони. Каждый палец имеет отдельный привод (см. Фиг. 10).[000117] The prosthesis of the hand may be a metal-plastic metacarpus frame with five electric motors and five metal frames of the fingers associated with the metacarpus lever-plunger system (mechatronics). The input feature vector is classified by the neural network algorithm as “learning with a teacher” in the Cortex M4 microprocessor installed in the control board pos. 20 cm. FIG. 9a, where each set of EMG signs obtained from volitional muscle contraction is assigned a corresponding control signal for transmission to the prosthesis drive mechanism. When a signal is supplied from the control board 20 (see Fig. 9a) to the
[000118] Функционирование системы происходит следующим образом. Миоэлектрическое устройство считывания в виде браслета надевается на уцелевшую часть предплечья и подключается к компьютеру, на компьютере происходит настройка, калибровка браслета и бионического протеза следующим образом. Обучающая выборка формируется следующим образом. С помощью программы калибровки на экран последовательно выводятся типы жестов, например «кулак», «щепоть тремя пальцами», «захват «ключ»», «цилиндрический схват», и другие, которые предлагается повторить пользователю несколько раз в течение определенного времени, например 5 раз по одной секунде, после чего полученные данные используются для обучения алгоритма распознавания на основе нейронной сети, как было описано выше. Создается профиль пользователя с новыми весовыми коэффициентами, который записывается в микроконтроллер браслета. Далее протез и браслет могут работать автономно, на основе беспроводной связи, например, посредством Bluetooth 4.0.[000118] The operation of the system is as follows. The mioelectric reader in the form of a bracelet is put on the surviving part of the forearm and connected to the computer, the computer is configured, calibrated, and the bionic prosthesis as follows. The training sample is formed as follows. Using the calibration program, the types of gestures, for example, “fist”, “pinch with three fingers”, “grip” key “,” cylindrical grip “, and others that are proposed to be repeated several times by the user for a certain time, are displayed on the screen for example 5 once in one second, after which the obtained data are used to train the recognition algorithm based on the neural network, as described above. A user profile is created with new weights, which is recorded in the microcontroller of the bracelet. Further, the prosthesis and bracelet can work autonomously, based on wireless communications, for example, via Bluetooth 4.0.
[000119] Протез кисти устанавливается в культеприемник. Миоэлектрическое устройство считывания можно надеть до, либо после установки протеза благодаря эластичной манжете.[000119] A brush prosthesis is installed in the body kit. The myoelectric reader can be worn before or after installing the prosthesis thanks to the elastic cuff.
[000120] Пользователь может использовать движения, записанные при калибровке. После совершения движения, сигнал регистрируется, преобразуется и классифицируется согласно этапам, описанным выше. Благодаря наличию датчиков, передающих дополнительную информацию от протеза, осуществляется обратная связь с пользователем, как описано выше.[000120] The user can use the movements recorded during calibration. After the movement, the signal is recorded, converted and classified according to the steps described above. Due to the presence of sensors transmitting additional information from the prosthesis, user feedback is performed as described above.
ПРИМЕРЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯEXAMPLES OF IMPLEMENTATION OF THE TECHNICAL SOLUTION
[000121] Средство сбора данных размещается на руке пользователя и одновременно соединяется с персональным компьютером, которое является устройством обработки данных. Пользователь, выполняя команды на экране, совершает 14 жестов (например, «Кулак», «Неполный кулак, или цилиндрический хват», «Раскрытие ладони», «Щепоть большим и указательным пальцем», «Щепоть большим и безымянным пальцами», «Поворот ладони на себя», «Поворот ладони от себя», ««Пистолет» - указательный и большой пальцы выпрямлены, остальные прижаты», «Кулак с выпрямленным большим пальцем», «Вращение предплечья на себя», «Вращение предплечья от себя», «Захват компьютерной мыши», «Захват под ключ», «Расслабление»), каждый в течение одной секунды, повторяя их согласно изображениям на экране, формируя таким образом обучающую выборку жестов.[000121] The data collection means is located on the user's hand and is simultaneously connected to a personal computer, which is a data processing device. The user, executing commands on the screen, makes 14 gestures (for example, “Fist”, “Incomplete fist, or cylindrical grip”, “Opening the palm”, “Pinch with thumb and forefinger”, “Pinch with thumb and ring finger”, “Turn the palm on yourself ”,“ Turn the palm away from you ”,“ Pistol ”- the forefinger and thumb are straightened, the rest are pressed”, “Fist with the straightened thumb”, “Rotate the forearm onto yourself”, “Rotate the forearm away from you”, “Grip computer mouse ”,“ Turnkey Capture ”,“ Relaxation ”), each for one second und, repeating them according to the images on the screen, thus forming a training sample of gestures.
[000122] Электроды датчика регистрируют разность потенциалов, возникающую при сокращении мышц, далее сигнал усиливается в 1000 раз, фильтруется в полосе 5-500 Гц и оцифровывается в АЦП. Далее, в режиме настройки, оцифрованный сигнал поступает на компьютер. Каждому цифровому отсчету сигнала по каждому жесту ставится в соответствие номер выполняемого жеста для дальнейшего обучения. Данные по каждому жесту соединяются в матрицу, соответственно, при частоте дискретизации, например, 1000 Гц, имеем набор данных размером 14×1000×8×14000 (14 жестов по 1 секунде х 1000 Герц, 8 - число каналов, 14000 - вектор целей от 1 до 14, присвоенный каждому отсчету номер жеста, по 1000 значений на каждую цель), амплитуда сигнала находится в диапазоне от 100 мкВ до 1 мВ. Затем сигнал сегментируют окнами шириной 25 мс, по 25 отсчетов на сегмент соответственно для частоты дискретизации 1000 Гц. Далее, находят максимум на каждом сегменте, получают на выходе вектор признаков размером 14×40×8×350 (размерность вектора целей также понижается). Затем данные в полученном векторе центрируются и нормируются, как описано выше. Амплитуда приводится к диапазону [-1:1].[000122] The sensor electrodes record the potential difference that occurs when muscles contract, then the signal is amplified 1000 times, filtered in the 5-500 Hz band and digitized in the ADC. Further, in the setup mode, the digitized signal is transmitted to the computer. Each digital signal sample for each gesture is associated with the number of the performed gesture for further training. The data for each gesture are connected into a matrix, respectively, at a sampling frequency of, for example, 1000 Hz, we have a data set of
[000123] Таким образом, получают входной вектор признаков для обучения нейронной сети. Обучение происходит согласно описанному выше алгоритму. Далее, новые значения весов сети записываются в контроллер системы считывания. После чего пользователь может использовать систему. Данные до сегментации и данные после сегментации сохраняются в базе данных на удаленном компьютере для возможности дальнейшего исследования и для пополнения обучающей выборки нейронной сети. Также далее возможно настроить соответствие жестов, выполняемых пользователем, и хватов, реализуемых приводами протеза в ответ на жест пользователя, подключив протез к компьютеру.[000123] Thus, an input feature vector for training a neural network is obtained. Training takes place according to the algorithm described above. Further, the new values of the network weights are written to the controller of the reading system. Then the user can use the system. The data before segmentation and the data after segmentation are stored in a database on a remote computer to allow further research and to replenish the training sample of the neural network. It is also further possible to adjust the correspondence of gestures performed by the user and the grip realized by the prosthesis drives in response to the user's gesture by connecting the prosthesis to a computer.
[000124] Затем при эксплуатации системы пользователь выполняет любой из четырнадцати жестов, затем происходит регистрация и обработка сигнала. Электроды датчика регистрируют разность потенциалов, возникающую при сокращении мышц, далее сигнал усиливается в 1000 раз, фильтруется в полосе 5-500 Гц и оцифровывается в АЦП. Далее, сигнал поступает на микроконтроллер системы считывания. Набирается число данных, равное ширине окна (25 мс), соответственно, при частоте дискретизации, например, 1000 Гц, имеем вектор данных размером 25×8 (25 отсчетов за 25 мс, 8 - число каналов), амплитуда сигнала находится в диапазоне от 100 мкВ до 1 мВ. Далее, находят максимум текущего сегмента, получают на выходе вектор размером 1×8. Затем данные в полученном векторе центрируются и нормируются, как описано выше. Амплитуда приводится к диапазону [-1:1]. Далее вектор подается на вход нейронной сети, которая определяет класс жеста. На основе результата классификации создается управляющая команда и передается на приводы протеза. Результирующий хват протеза может быть, как аналогичным выполненному пользователю, так и иным, заданным в настройках изначально.[000124] Then, during the operation of the system, the user performs any of fourteen gestures, then the signal is recorded and processed. The sensor electrodes record the potential difference that occurs during muscle contraction, then the signal is amplified 1000 times, filtered in the 5-500 Hz band and digitized in the ADC. Further, the signal is fed to the microcontroller of the reading system. A number of data is dialed equal to the width of the window (25 ms), respectively, at a sampling frequency of, for example, 1000 Hz, we have a data vector of
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИUSED INFORMATION SOURCES
1. Коуэн X.Л., Брумлик Дж. Руководство по электромиографии и электродиагностике: Пер. с англ. - М.: Медицина, 2005. - 192 с.1. Cowan XL, Brumlik J. Guide to electromyography and electrodiagnostics: Per. from English - M.: Medicine, 2005 .-- 192 p.
2. Будко Р.Ю., Старченко И.Б. Создание классификатора мимических движений на основе анализа электромиограммы // Труды СПИИРАН. 2016. Вып. 46. С. 76-89.2. Budko R.Yu., Starchenko IB Creation of a classifier of facial movements based on the analysis of an electromyogram // Transactions of SPIIRAS. 2016. Issue. 46.S. 76-89.
3. Englehart K, Hudgins В: A robust, real-time control scheme for multifunction myoelectric control. IEEE Trans Biomed Eng 2003, 50(7): 848-854.3. Englehart K, Hudgins B: A robust, real-time control scheme for multifunction myoelectric control. IEEE Trans Biomed Eng 2003, 50 (7): 848-854.
4. Van den Broek EL, Lis'y V, Janssen JH, Westerink JHDM, Schut MH, Tuinenbreijer K: Affective Man-machine Interface: Unveiling human emotions through biosignals. Biomedical Engineering Systems and Technologies: Communications in Computer and Information Science. Berlin, Germany: Springer Verlag; 2010.4. Van den Broek EL, Lis'y V, Janssen JH, Westerink JHDM, Schut MH, Tuinenbreijer K: Affective Man-machine Interface: Unveiling human emotions through biosignals. Biomedical Engineering Systems and Technologies: Communications in Computer and Information Science. Berlin, Germany: Springer Verlag; 2010.
5. Maria C. Selection of suitable hand gestures for reliable myoelectric human computer interface / Maria Castro, Sridhar P Arjunan, Dinesh K Kumar // BioMedical Engineering OnLine. - 2015. - 14:30 (9 April 2015) available at: http://www.biomedical-engineering-online.com/content/14/1/30.5. Maria C. Selection of suitable hand gestures for reliable myoelectric human computer interface / Maria Castro, Sridhar P Arjunan, Dinesh K Kumar // BioMedical Engineering OnLine. - 2015. - 14:30 (April 9, 2015) available at: http://www.biomedical-engineering-online.com/content/14/1/30.
6. Huihui L. Relationship of EMG/SMG features and muscle strength level: an exploratory study on tibialis anterior muscles during plantar-flexion among hemiplegia patients / Huihui Li, Guoru Zhao, Yongjin Zhou, Xin Chen, Zhen Ji, Lei Wang // BioMedical Engineering OnLine. - 2014. 13:5 (27 January 2014) available at: http://www.biomedical-engineering-online.com/content/13/1/5.6. Huihui L. Relationship of EMG / SMG features and muscle strength level: an exploratory study on tibialis anterior muscles during plantar-flexion among hemiplegia patients / Huihui Li, Guoru Zhao, Yongjin Zhou, Xin Chen, Zhen Ji, Lei Wang // BioMedical Engineering OnLine. - 2014.13: 5 (January 27, 2014) available at: http://www.biomedical-engineering-online.com/content/13/1/5.
7. Saichon J, Chidchanok L, Suphakant P: A very fast neural learning for classification using only new incoming datum. IEEE Trans Neural Netw 2010.7. Saichon J, Chidchanok L, Suphakant P: A very fast neural learning for classification using only new incoming datum. IEEE Trans Neural Netw 2010.
Claims (35)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016149199A RU2635632C1 (en) | 2016-12-14 | 2016-12-14 | Method and system of intellectual bionic limb control |
PCT/RU2016/000935 WO2018111138A1 (en) | 2016-12-14 | 2016-12-27 | Method and system for controlling an intelligent bionic limb |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016149199A RU2635632C1 (en) | 2016-12-14 | 2016-12-14 | Method and system of intellectual bionic limb control |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2635632C1 true RU2635632C1 (en) | 2017-11-14 |
Family
ID=60328676
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016149199A RU2635632C1 (en) | 2016-12-14 | 2016-12-14 | Method and system of intellectual bionic limb control |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2635632C1 (en) |
WO (1) | WO2018111138A1 (en) |
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2019215214A1 (en) * | 2018-05-09 | 2019-11-14 | Otto Bock Healthcare Products Gmbh | Method for setting up a myoelectric-controlled prosthesis system, prosthesis system, surface electrode arrangement, electrode and safety element |
RU2725055C1 (en) * | 2019-06-18 | 2020-06-29 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского" | Method for complex assessment of upper extremity function |
RU201260U1 (en) * | 2020-07-31 | 2020-12-08 | Общество с ограниченной ответственностью "Био Диджитал Технолоджи" | A device for recognizing gestures by detecting and analyzing muscle activity by electromyography |
RU204901U1 (en) * | 2020-09-29 | 2021-06-17 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский политехнический университет" (Московский Политех) | MODULE FOR REGISTRATION AND PRIMARY PROCESSING OF BIOPOTENTIALS |
RU2754125C1 (en) * | 2020-06-16 | 2021-08-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) | Controlled hand prosthesis |
RU2762775C1 (en) * | 2020-10-19 | 2021-12-22 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ) | Method for deciphering electromyosignals and apparatus for implementation thereof |
CN113952091A (en) * | 2021-12-06 | 2022-01-21 | 福州大学 | Multi-sensor fusion type artificial hand gripping force feedback control method |
RU220273U1 (en) * | 2022-12-09 | 2023-09-05 | Екатерина Вадимовна Меньшова | Board for controlling a bionic prosthesis |
CN118161133A (en) * | 2024-05-13 | 2024-06-11 | 浙江强脑科技有限公司 | Method and device for evaluating gestures of bionic hand, storage medium and bionic hand |
Families Citing this family (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110859687B (en) * | 2018-08-28 | 2024-03-12 | 深圳先进技术研究院 | Vibrating arm ring, touch sense detection system, vibration control method and touch sense detection method |
CN114138111B (en) * | 2021-11-11 | 2022-09-23 | 深圳市心流科技有限公司 | Full-system control interaction method of myoelectric intelligent bionic hand |
CN113946225B (en) * | 2021-12-20 | 2022-04-26 | 深圳市心流科技有限公司 | Gesture locking method, intelligent bionic hand, terminal and storage medium |
GB2615785A (en) * | 2022-02-18 | 2023-08-23 | L Univ Ta Malta | Prosthetic hand device and method of control |
CN116009703A (en) * | 2023-03-27 | 2023-04-25 | 深圳市心流科技有限公司 | Gesture control display method and device of intelligent bionic hand, intelligent bionic hand and medium |
CN117784941A (en) * | 2024-02-23 | 2024-03-29 | 浙江强脑科技有限公司 | Gesture control method of bionic hand, storage medium, control device and bionic hand |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2414871C2 (en) * | 2005-12-20 | 2011-03-27 | ОТТО БОК ХЕЛСКЕА АйПи ГМБХ ЭНД КО. КГ | Finger and palm prostheses |
US20150351935A1 (en) * | 2013-01-16 | 2015-12-10 | Fabrica Machinale S.R.L. | Prosthetic hand system |
US20160074181A1 (en) * | 2013-06-03 | 2016-03-17 | The Regents Of The University Of Colorado, A Body Corporate | Systems And Methods For Postural Control Of A Multi-Function Prosthesis |
-
2016
- 2016-12-14 RU RU2016149199A patent/RU2635632C1/en active
- 2016-12-27 WO PCT/RU2016/000935 patent/WO2018111138A1/en active Application Filing
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2414871C2 (en) * | 2005-12-20 | 2011-03-27 | ОТТО БОК ХЕЛСКЕА АйПи ГМБХ ЭНД КО. КГ | Finger and palm prostheses |
US20150351935A1 (en) * | 2013-01-16 | 2015-12-10 | Fabrica Machinale S.R.L. | Prosthetic hand system |
US20160074181A1 (en) * | 2013-06-03 | 2016-03-17 | The Regents Of The University Of Colorado, A Body Corporate | Systems And Methods For Postural Control Of A Multi-Function Prosthesis |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
БОРИСОВ И.И. Разработка системы обратной связи бионического протеза. Сборник тезисов участников форума "Наука будущего — наука молодых", Казань, Том 1, 2016, с. 388-390. * |
ЧЕХ И.И. Проект "Экспресс-протезирование", Москва 2014, с. 1-19. * |
ЧЕХ И.И. Проект "Экспресс-протезирование", Москва 2014, с. 1-19. БОРИСОВ И.И. Разработка системы обратной связи бионического протеза. Сборник тезисов участников форума "Наука будущего — наука молодых", Казань, Том 1, 2016, с. 388-390. * |
Cited By (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2019215214A1 (en) * | 2018-05-09 | 2019-11-14 | Otto Bock Healthcare Products Gmbh | Method for setting up a myoelectric-controlled prosthesis system, prosthesis system, surface electrode arrangement, electrode and safety element |
CN112105319A (en) * | 2018-05-09 | 2020-12-18 | 奥托·博克保健产品有限公司 | Method for setting an electromyographic prosthetic system, surface electrode assembly, electrode and fastening element |
CN112105319B (en) * | 2018-05-09 | 2023-07-04 | 奥托·博克保健产品有限公司 | Method for setting up a myoelectric prosthesis system, surface electrode assembly, electrode and fastening element |
US11707367B2 (en) | 2018-05-09 | 2023-07-25 | Otto Bock Healthcare Products Gmbh | Method for configuring a myoelectrically controlled prosthesis system and prosthesis system |
RU2725055C1 (en) * | 2019-06-18 | 2020-06-29 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского" | Method for complex assessment of upper extremity function |
RU2754125C1 (en) * | 2020-06-16 | 2021-08-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) | Controlled hand prosthesis |
RU201260U1 (en) * | 2020-07-31 | 2020-12-08 | Общество с ограниченной ответственностью "Био Диджитал Технолоджи" | A device for recognizing gestures by detecting and analyzing muscle activity by electromyography |
RU204901U1 (en) * | 2020-09-29 | 2021-06-17 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский политехнический университет" (Московский Политех) | MODULE FOR REGISTRATION AND PRIMARY PROCESSING OF BIOPOTENTIALS |
RU2762775C1 (en) * | 2020-10-19 | 2021-12-22 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ) | Method for deciphering electromyosignals and apparatus for implementation thereof |
CN113952091A (en) * | 2021-12-06 | 2022-01-21 | 福州大学 | Multi-sensor fusion type artificial hand gripping force feedback control method |
RU220273U1 (en) * | 2022-12-09 | 2023-09-05 | Екатерина Вадимовна Меньшова | Board for controlling a bionic prosthesis |
CN118161133A (en) * | 2024-05-13 | 2024-06-11 | 浙江强脑科技有限公司 | Method and device for evaluating gestures of bionic hand, storage medium and bionic hand |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2018111138A1 (en) | 2018-06-21 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2635632C1 (en) | Method and system of intellectual bionic limb control | |
Bi et al. | A review on EMG-based motor intention prediction of continuous human upper limb motion for human-robot collaboration | |
RU2683859C1 (en) | Method and system for controlling electronic devices by electromyographic reading device | |
Cipriani et al. | Online myoelectric control of a dexterous hand prosthesis by transradial amputees | |
Zhao et al. | SSVEP-based brain–computer interface controlled functional electrical stimulation system for upper extremity rehabilitation | |
WO2018233435A1 (en) | Multi-dimensional surface electromyographic signal based artificial hand control method based on principal component analysis method | |
Bhattacharyya et al. | A synergetic brain-machine interfacing paradigm for multi-DOF robot control | |
CN112022619B (en) | Multi-mode information fusion sensing system of upper limb rehabilitation robot | |
Das et al. | A review on the advancements in the field of upper limb prosthesis | |
Song et al. | A practical EEG-based human-machine interface to online control an upper-limb assist robot | |
Ruhunage et al. | EMG signal controlled transhumerai prosthetic with EEG-SSVEP based approch for hand open/close | |
Jiang et al. | Bio-robotics research for non-invasive myoelectric neural interfaces for upper-limb prosthetic control: A 10-year perspective review | |
Briouza et al. | A brief overview on machine learning in rehabilitation of the human arm via an exoskeleton robot | |
Yadav et al. | Recent trends and challenges of surface electromyography in prosthetic applications | |
Kastalskiy et al. | A neuromuscular interface for robotic devices control | |
Subasi | Electromyogram-controlled assistive devices | |
Borgul et al. | Intuitive control for robotic rehabilitation devices by human-machine interface with EMG and EEG signals | |
Mohebbian et al. | A comprehensive review of myoelectric prosthesis control | |
Salvekar et al. | Mind controlled robotic arm | |
Choudhary et al. | A machine learning approach to aid paralysis patients using EMG signals | |
Kakoty et al. | Electromyographic grasp recognition for a five fingered robotic hand | |
Liu et al. | Hand gesture recognition based on deep neural network and sEMG signal | |
Jo et al. | EEG-EMG hybrid real-time classification of hand grasp and release movements intention in chronic stroke patients | |
Singhvi et al. | Comparative study of motion recognition with temporal modelling of electromyography for thumb and index finger movements aiming for wearable robotic finger exercises | |
Lim et al. | Convolutional neural network based electroencephalogram controlled robotic arm |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PD4A | Correction of name of patent owner | ||
PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20191213 |