一种分布式腕手假肢系统的控制系统技术方案

一种分布式腕手假肢系统的控制系统，涉及生物肌电一体化技术领域，为了解决现有的腕手假肢系统缺少主动的腕部自由度，操作不方便，缺少合适的肌电控制方法的问题。本发明专利技术包括假手控制系统和手腕控制系统；假手控制系统包括假手主控制器、存储模块、假手电源管理模块、肌电信号采集模块、陀螺仪模块、假手电机模块、人机交互模块和假手通信模块；手腕控制系统包括手腕主控制器、手腕电源管理模块、手腕电机模块和手腕通信模块。本发明专利技术适用于多自由度控制腕手假肢系统。

A control system for distributed wrist prosthesis system

A control system of a distributed wrist hand prosthetic system relates to the field of bio electromyography. In order to solve the problem of lack of active wrist wrist freedom, the existing wrist hand prosthetic system is not convenient to operate and lacks the right EMG control method. The invention comprises a control system and control system of prosthetic hand wrist; prosthetic hand control system includes a main controller, hand storage module, power management module, hand EMG signal acquisition module, gyroscope module, prosthetic hand motor module, human-computer interaction module and communication module of hand wrist wrist; control system includes a main controller, a power management module, wrist wrist motor module the communication module and the wrist. The invention is suitable for controlling the wrist hand prosthesis system with multiple degrees of freedom.

【技术实现步骤摘要】
一种分布式腕手假肢系统的控制系统
本专利技术涉及生物肌电一体化(Biomechatronics)

技术介绍
人手在生活中起到很重要的作用，对于手部残疾的人，缺少手部会给生活带来极大的不便，因此出现了代替人手进行操作和抓取的假手。此外，人体的腕部是上肢的重要组成部分，具有三个独立自由度，在抓取中起重要作用。理想的腕手假肢系统应当具备如下特征：第一、假手能够以多种姿势抓取物体；第二、手腕具有三个独立的主动自由度；第三、可以实现简单可靠的肌电控制。目前现有的假手缺少主动的腕部自由度，没有3个自由度的主动手腕。缺少腕部会导致难以根据抓取需要来调整假手的姿态，残疾人需要依靠上臂来调整假手的姿态，这使得抓取动作极其不自然，不便于残疾人日常使用。此外，目前现有的腕手假肢系统缺少合适的肌电控制方法，大多数采用开关控制，使用时，残疾人需要使用开关来控制假手和腕部的运动，这导致了当残疾人另一只手不方便时，无法控制假手或腕部的运动，不便于残疾人使用。这些问题导致残疾人对假肢的使用率比较低。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有的腕手假肢系统缺少主动的腕部自由度，操作不方便，缺少合适的肌电控制方法的问题，从而提供一种分布式腕手假肢系统的控制系统。本专利技术所述的一种分布式腕手假肢系统的控制系统，包括假手控制系统和手腕控制系统；假手控制系统，包括假手主控制器、肌电信号采集模块、假手电机模块和假手通信模块；肌电信号采集模块，用于采集肌电信号，并将肌电信号转换为数字信号，并发送给假手主控制器；假手电机模块，用于根据假手主控制器的假手控制命令驱动假手运动；假手通信模块，用于与手腕控制系统进行通信；假手主控制器，用于根据肌电信号，生成假手控制命令和手腕控制命令；假手控制命令用于控制手部姿势、手部运动，手腕控制命令用于控制腕部自由度和腕部运动；手腕控制系统，包括手腕主控制器、手腕电机模块和手腕通信模块；手腕通信模块，用于与假手控制系统进行通信；手腕主控制器，用于接收假手主控制器发送的手腕控制命令；手腕电机模块，用于接收手腕控制命令并根据手腕控制命令驱动手腕运动。优选的是，肌电信号采集模块包括两个肌电电极，两个肌电电极贴在使用者前臂的皮肤表面。优选的是，假手主控制器包括信号预处理模块、分类器和肌电控制模块；信号预处理模块，用于接受肌电信号，对肌电信号进行滤波及信号特征提取，并将预处理后的肌电信号发送给分类器；分类器，用于对肌电信号进行分类；具体为：结合分类器参数根据使用者的动作种类，将两个肌电电极的信号分类为屈肌信号FF、伸肌信号EE、同时收缩信号AA和放松信号r；根据动作持续时间，将两个肌电电极的信号进一步分为7种肌电信号：短时屈肌信号f、短时伸肌信号e、短时同时收缩信号a、长时屈肌信号F、长时伸肌信号E、长时同时收缩信号A和放松信号r；并将分类后的结果发送给肌电控制模块；肌电控制模块，用于根据分类后的肌电信号，生成假手控制命令和手腕控制命令，该肌电控制模块具有4个工作状态，分别为：假手姿势选择状态、假手运动控制状态、腕部自由度选择状态和腕部运动控制状态，其中假手姿势选择状态时用于在预设的抓取姿势中进行选择，腕部自由度选择状态时用于在3种预设的手腕运动方向中进行选择，3种预设的手腕运动方向分别对应手腕的3个自由度，假手运动控制状态时用于控制假手按照手部姿势选择状态下选定的抓取姿势下进行抓取，腕部运动控制状态时用于控制腕部按照腕部姿势选择状态下选定的运动方向下进行运动。优选的是，当肌电控制模块处于假手姿势选择状态时，如果分类后的结果为长时屈肌信号F，则进入假手运动控制状态；当肌电控制模块处于假手运动控制状态时，根据分类器的肌电信号分类结果，控制假手的运动，具体为：如果分类后的结果为屈肌信号FF，则控制假手按照选定的抓取姿势向闭合的方向运动；如果分类后的结果为放松信号r，则假手保持静止状态；如果分类后的结果为伸肌信号EE，则控制假手按照选定的抓取姿势向张开的方向运动；如果分类后的结果为伸肌信号E，则回到假手姿势选择状态；如果分类后的结果为长时同时收缩信号A，则进入腕部自由度选择状态；如果分类后的结果为短时同时收缩信号a，则进入腕部运动控制状态；当肌电控制模块处于腕部自由度选择状态时，分类后的结果放松信号r、短时屈肌信号f和短时伸肌信号e分别对应腕部的3个自由度，如果分类后的结果为屈肌信号F，则进入腕部运动控制状态；当肌电控制模块处于腕部运动控制状态时，根据分类器的肌电信号分类结果，控制腕部的运动，具体为：如果分类后的结果为屈肌信号FF，则控制腕部按照选定的抓取姿势向闭合的方向运动；如果分类后的结果为放松信号r，则腕部保持静止状态；如果分类后的结果为伸肌信号EE，则控制腕部按照选定的抓取姿势向张开的方向运动；如果分类后的结果为长时伸肌信号E，则回到腕部自由度选择状态；如果分类后的结果为长时同时收缩信号A，则进入假手姿势选择状态；如果分类后的结果为短时同时收缩信号a，则进入假手运动控制状态。优选的是，当肌电控制模块处于假手姿势选择状态时，两个肌电电极的信号为2个放松信号r、短时屈肌信号f或者短时伸肌信号e进行任意排列组合，共生成7种组合，即r、f、e、ff、ee、fe、ef，对应7种预设的抓取姿势，如果分类后的结果为长时伸肌信号E，则清空组合；r、f、e、ff、ee、fe、ef对应的7种预设的抓取姿势分别为：圆柱抓取、圆球抓取、三指捏取、侧边捏取、两指捏取、四指弯曲、食指指示。优选的是，假手控制系统还包括假手电机电流监控模块，用于采集假手电机的电流信号，并发送给假手主控制器；假手主控制器控制假手电机的电流小于设定阈值；手腕控制系统还包括手腕电机电流监控模块，用于采集手腕电机的电流信号，并发送给手腕主控制器；手腕主控制器控制手腕电机的电流小于设定阈值。优选的是，假手控制系统还包括人机交互模块和陀螺仪模块，陀螺仪模块用于采集假手姿态，并发送给假手主控制器；人机交互模块用于显示腕手假肢系统的控制系统的状态。优选的是，手腕控制系统还包括手腕传感器信号采集模块；手腕传感器信号采集模块，用于采集手腕传感器信号，将采集到的传感器信号进行滤波并且转换为数字信号，并发送给手腕主控制器。优选的是，假手控制系统还包括假手传感器信号采集模块；假手传感器信号采集模块，用于采集假手传感器信号，将采集到的传感器信号进行滤波并且转换为数字信号，并发送给假手主控制器。优选的是，假手控制系统还包括电刺激反馈模块，用于通过电刺激电极向使用者反馈腕手假肢系统的状态信息。有益效果：本专利技术的控制系统简单可靠，工作稳定，可控制自由度多，抓取操作灵巧程度高，采用分布式控制系统，假手和手腕控制系统均为独立通信、传感、供电、控制和驱动，并且都具备标准的通信接口，方便拆换和适配不同的假手和手腕，能够和不同的假手相连接。无需外部开关等，便于残疾人使用。人机交互电路实时显示使用者输入控制量的状态和腕手系统的状态，方便使用者使用，降低使用者的负担；采用肌电控制方式，使用者只依靠两个电极即可实现对腕手假肢系统的控制，便于日常使用，适合大多数缺少多块活动肌肉的残疾人；假手控制系统大小仅有25×50mm，可以方便地集成在假手内部，手腕控制系统直径仅有30mm，可以方便地集成在手腕内部，满足多自本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种分布式腕手假肢系统的控制系统，其特征在于，包括假手控制系统和手腕控制系统；假手控制系统，包括假手主控制器、肌电信号采集模块、假手电机模块和假手通信模块；肌电信号采集模块，用于采集肌电信号，并将肌电信号转换为数字信号，并发送给假手主控制器；假手电机模块，用于根据假手主控制器的假手控制命令驱动假手运动；假手通信模块，用于与手腕控制系统进行通信；假手主控制器，用于根据肌电信号，生成假手控制命令和手腕控制命令；假手控制命令用于控制手部姿势、手部运动，手腕控制命令用于控制腕部自由度和腕部运动；手腕控制系统，包括手腕主控制器、手腕电机模块和手腕通信模块；手腕通信模块，用于与假手控制系统进行通信；手腕主控制器，用于接收假手主控制器发送的手腕控制命令；手腕电机模块，用于接收手腕控制命令并根据手腕控制命令驱动手腕运动。

【技术特征摘要】
1.一种分布式腕手假肢系统的控制系统，其特征在于，包括假手控制系统和手腕控制系统；假手控制系统，包括假手主控制器、肌电信号采集模块、假手电机模块和假手通信模块；肌电信号采集模块，用于采集肌电信号，并将肌电信号转换为数字信号，并发送给假手主控制器；假手电机模块，用于根据假手主控制器的假手控制命令驱动假手运动；假手通信模块，用于与手腕控制系统进行通信；假手主控制器，用于根据肌电信号，生成假手控制命令和手腕控制命令；假手控制命令用于控制手部姿势、手部运动，手腕控制命令用于控制腕部自由度和腕部运动；手腕控制系统，包括手腕主控制器、手腕电机模块和手腕通信模块；手腕通信模块，用于与假手控制系统进行通信；手腕主控制器，用于接收假手主控制器发送的手腕控制命令；手腕电机模块，用于接收手腕控制命令并根据手腕控制命令驱动手腕运动。2.根据权利要求1所述的一种分布式腕手假肢系统的控制系统，其特征在于，肌电信号采集模块包括两个肌电电极，两个肌电电极贴在使用者前臂的皮肤表面。3.根据权利要求2所述的一种分布式腕手假肢系统的控制系统，其特征在于，假手主控制器包括信号预处理模块、分类器和肌电控制模块；信号预处理模块，用于接受肌电信号，对肌电信号进行滤波及信号特征提取，并将预处理后的肌电信号发送给分类器；分类器，用于对肌电信号进行分类；具体为：结合分类器参数根据使用者的动作种类，将两个肌电电极的信号分类为屈肌信号FF、伸肌信号EE、同时收缩信号AA和放松信号r；根据动作持续时间，将两个肌电电极的信号进一步分为7种肌电信号：短时屈肌信号f、短时伸肌信号e、短时同时收缩信号a、长时屈肌信号F、长时伸肌信号E、长时同时收缩信号A和放松信号r；并将分类后的结果发送给肌电控制模块；肌电控制模块，用于根据分类后的肌电信号，生成假手控制命令和手腕控制命令，该肌电控制模块具有4个工作状态，分别为：假手姿势选择状态、假手运动控制状态、腕部自由度选择状态和腕部运动控制状态，其中假手姿势选择状态时用于在预设的抓取姿势中进行选择，腕部自由度选择状态时用于在3种预设的手腕运动方向中进行选择，3种预设的手腕运动方向分别对应手腕的3个自由度，假手运动控制状态时用于控制假手按照手部姿势选择状态下选定的抓取姿势下进行抓取，腕部运动控制状态时用于控制腕部按照腕部姿势选择状态下选定的运动方向下进行运动。4.根据权利要求3所述的一种分布式腕手假肢系统的控制系统，其特征在于，当肌电控制模块处于假手姿势选择状态时，如果分类后的结果为长时屈肌信号F，则进入假手运动控制状态；当肌电控制模块处于假手运动控制状态时，根据分类器的肌电信号分类结果，控制假手的运动，具体为：如果分类后的结果为屈肌信号FF，则控制假手按照选定的抓取姿势向闭合的方向运动；如果分类后的结果为放松信号r，则假手保持静止状态；如果分类后的结果为伸肌信号EE，则控制假手按照选定的抓取姿势向张开的方向运动；如果分类后的结果...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜力，杨斌，程明，黄琦，刘源，杨威，杨大鹏，刘炳辰，刘宏，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23