混合型假手的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明所屬的技術(shù)領(lǐng)域是假肢。具體地，本發(fā)明所屬的技術(shù)領(lǐng)域是利用肩帶和基于肌電圖(EMG)的激活和控制功能的假手。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前關(guān)于經(jīng)橈動脈截肢的統(tǒng)計資料表明上肢修復(fù)的需求量很大。人們已經(jīng)對處理先進(jìn)假肢的研究做了大量的努力。然而，直到目前，仍沒有可用于模仿人手全部功能的假肢。存在許多類型的假手。在大多數(shù)情況下，使用肩帶控制這些假手，肩帶使操作者可以捕捉肩膀或手肘的運動，并將這些運動轉(zhuǎn)化成鉤或鉗的機(jī)械開合，其中，鉤或鉗用于給被截肢者恢復(fù)一些能力。另一種類型的假手基于測量面肌電(sEMG)信號以驅(qū)使假肢。由于sEMG信號是空間分布的，所以sEMG探針會從其它源于不同肌肉群的運動單元拾取到信號。這一現(xiàn)象稱為串?dāng)_，其是解析手/手指運動困難的主要原因。EMG信號由肌肉緊縮過程中若干運動單元的同時激發(fā)而產(chǎn)生。EMG信號在到達(dá)皮膚表面之前，穿過很多組織層，這導(dǎo)致信號獲取中的噪聲和干擾。sEMG信號的隨機(jī)性增加了研究的復(fù)雜度。所有這些問題使得將sEMG信號的內(nèi)容從噪聲和干擾中區(qū)分出來相當(dāng)?shù)睦щy。
[0003]假肢一直以在靈巧度和適應(yīng)能力方面匹配人手為目標(biāo)而發(fā)展著。假手通常被設(shè)計成配備一個完成拾取和放置任務(wù)的靈巧操縱器，或者配備全機(jī)械設(shè)計，這種全機(jī)械設(shè)計使用身體的其他運動-通常是肩膀或手肘的運動-來創(chuàng)建假手的握緊動作。已經(jīng)表明兩種類型的假肢都可以給被截肢者恢復(fù)某些功能。在利用操縱器的拾取和放置設(shè)備中，假手看起來和感覺起來都像是人手，并能產(chǎn)生像人手一樣的功能。然而，訓(xùn)練和適應(yīng)這些假肢有點麻煩，而且通常被截肢者在僅僅兩年時間內(nèi)就將不再使用這種假肢。全機(jī)械設(shè)計的修復(fù)提供了魯棒性的設(shè)計，將人手的功能簡化到只具有夾物體能力的簡單鉤子的簡易性。這些設(shè)計對于大多數(shù)被截肢者而言，已經(jīng)成為次要的選擇。
[0004]本申請中描述的發(fā)明是上述系統(tǒng)的混合版。它既有機(jī)械驅(qū)使功能，例如，典型的機(jī)械假肢擁有靈巧的操縱器，又有利用sEMG信號控制的驅(qū)使功能。本發(fā)明已經(jīng)有能力控制兩種驅(qū)使類型的手部運動。這使得被截肢者能夠在利用sEMG信號驅(qū)使假肢時使用機(jī)械控制/驅(qū)使功能來幫助訓(xùn)練肌肉。它也使得被截肢者能夠選擇他或她為完成特定任務(wù)所期望的驅(qū)使類型(sEMG、機(jī)械的，或二者同時)，從而使得系統(tǒng)適應(yīng)用戶。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明涉及既能通過sEMG信號也能通過假手用戶的相應(yīng)肩膀和手肘的運動來控制假肢的運動集的混合型假手。
[0006]本發(fā)明的機(jī)械功能由聳肩運動、收緊或彎折手肘運動或者二者同時來控制。這些運動提供的力傳遞給使用鮑登線纜設(shè)計(Bowden cable design)的手。操作者隨后可以選擇對手的功能而言這種運動所做的動作，從而使得系統(tǒng)適應(yīng)被截肢者的個人能力和期望的任務(wù)。
[0007]第二種控制假肢的類型通過使用sEMG信號來提供。在這種模式下，本發(fā)明使用分級控制結(jié)構(gòu)，其中，sEMG信號的類別用于推斷總的運動集，而sEMG信號運動以及sEMG信號力模型用于控制假肢各個關(guān)節(jié)的復(fù)雜動作。
[0008]控制假肢的第三種選擇通過同時引起上述兩種方式作為混合模式來提供，S卩，除了 sEMG信號之外還使用肩帶或肘帶作為假肢的控制輸入。
【附圖說明】
[0009]圖1是分級控制結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0010]圖2是分級控制器的上級控制視圖。
[0011]圖3是分級控制器的下級控制示意圖。
[0012]圖4是本發(fā)明的機(jī)械輸入和功能的示意圖。
[0013]圖5是本發(fā)明某些先進(jìn)能力的視圖。
【具體實施方式】
[0014]基于sEMG的控制系統(tǒng)使用分級架構(gòu)，其使用兩種方式來推斷假肢的預(yù)期動作。上級控制基于分類方案，其中，sEMG傳感器信號集對用戶預(yù)期的動作類型進(jìn)行分類。利用這種信息，可以識別將被控制的關(guān)節(jié)和鏈接的集合。第二層是關(guān)節(jié)運動控制層。這一層的控制結(jié)構(gòu)使各個關(guān)節(jié)的位置和運動直接受控于一組代表sEMG信號和關(guān)節(jié)運動之間關(guān)系的動態(tài)模型。第二組模型用于將預(yù)期的指尖力與所測量的sEMG信號關(guān)聯(lián)起來。
[0015]參見圖1中示出的本發(fā)明，分級控制架構(gòu)的部件標(biāo)記為I。系統(tǒng)包括面EMG傳感器陣列2、放大濾波部3、上級控制系統(tǒng)4、下級控制系統(tǒng)5、激活塊6和假手7。
[0016]現(xiàn)在更詳細(xì)地參見圖1中的本發(fā)明，其示出分級控制器I具有六個部分，即，面EMG傳感器陣列2、放大濾波部3、上級控制系統(tǒng)4、下級控制系統(tǒng)5、激活塊6和假手機(jī)構(gòu)7。面EMG傳感陣列2采集源自人肌肉活動的皮膚表面電勢。傳感器根據(jù)各個部分相對于肌肉所處的空間位置來組合信號。放大濾波部3通過使用陷波濾波器從所獲得的信號中移除低頻和高頻組分來操作。此外，在該階段3，執(zhí)行sEMG信號的放大和整流。上級控制系統(tǒng)4負(fù)責(zé)額外的信號處理，以將濾波后的sEMG信號格式化為標(biāo)準(zhǔn)大小，這可以用于識別假手用戶期望執(zhí)行的動作類型。下級控制系統(tǒng)5界定假肢各個關(guān)節(jié)的實際運動。此外，下級控制系統(tǒng)5用于確定假手7產(chǎn)生的預(yù)期手指力。激活塊6通過激活驅(qū)動關(guān)節(jié)以及產(chǎn)生扭矩和最終手指力的電機(jī)來執(zhí)行關(guān)節(jié)運動和手指力指令。
[0017]進(jìn)一步地，仍然參見圖1的本發(fā)明，面EMG傳感器陣列2被設(shè)計成能夠相對于參考點測量皮膚上兩點之間的電勢，參考點通常設(shè)置在手肘的外部。兩點的測量位于皮膚表面上負(fù)責(zé)一個手指或多個手指的特定運動的相應(yīng)骨骼肌肉附近。放大濾波部3被設(shè)計成使用放大器電路和濾波電路。整流也利用放大器電路來實現(xiàn)。上級控制系統(tǒng)4和下級控制系統(tǒng)5嵌入到微控制器中。激活塊6利用電機(jī)來構(gòu)建，電機(jī)連線到假手7的各個關(guān)節(jié)。
[0018]現(xiàn)在參見圖2，上級控制4由一組循序的進(jìn)程來構(gòu)建。從放大濾波部3獲得的sEMG信號由信號處理階段8來處理，并由信號映射階段9來映射。經(jīng)映射的信號交到使用分類表10的比較階段11。然后，這用在運動集確定階段12。
[0019]進(jìn)一步地，仍然參見圖2中的本發(fā)明，信號處理階段8采用多個數(shù)學(xué)運算來分解經(jīng)濾波、整流和放大的sEMG信號。該處理的輸出隨后在幅值上標(biāo)準(zhǔn)化。經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化的信號隨后由信號映射階段9映射成手和手指運動的類別。信號映射階段9的輸出