一种用于假肢手控制与感知的双向残肢接口系统技术方案

本发明专利技术公开了一种用于假肢手控制与感知的双向残肢接口系统，涉及截肢患者康复与灵巧假肢智能操控领域，包括信息采集与反馈模块、信号解码与反馈编码模块、假肢控制与感知模块、计算机辅助训练软件；信息采集与反馈模块采集残肢生物信号，信号解码与反馈编码模块进行解析并解码出运动指令；假肢控制与感知模块将假肢的传感反馈模式传递给信号解码与反馈编码模块，信号解码与反馈编码模块进行编码并传递给信息采集与反馈模块；信号解码与反馈编码模块还将残肢生物信号无线传输给计算机辅助训练软件。本发明专利技术既实现了对多自由度灵巧假肢的直观控制，又能感知假肢的抓取信息，并能帮助患者迅速掌握灵巧假肢的操控方法。

A bidirectional residual limb interface system for prosthetic hand control and perception

The invention discloses a bi-directional limb interface system for prosthetic hand control and perception. It involves the rehabilitation of amputated patients and intelligent manipulation of dexterous prostheses, including information acquisition and feedback module, signal decoding and feedback coding module, artificial limb control and perception module, computer aided training software, information acquisition and feedback. The module collects the biological signal of the residual limb, the signal decoding and the feedback coding module parses and decodes the motion instruction, and the artificial limb control and perception module transfers the sensing feedback mode of the prosthetic limb to the signal decoding and feedback encoding module, the signal decoding and feedback encoding module is encoded and passed to the information acquisition and feedback module. The decode and feedback encoding module also transmits residual limb biological signals to computer aided training software. The invention not only realizes the intuitionistic control of the dexterous artificial limb of multi degree of freedom, but also perceives the grasping information of the prosthesis, and can help the patient grasp the manipulation method of the dexterous prosthesis quickly.

【技术实现步骤摘要】
一种用于假肢手控制与感知的双向残肢接口系统
本专利技术涉及截肢患者康复与灵巧假肢智能操控领域，尤其涉及一种于假肢手控制与感知的双向残肢接口系统。
技术介绍
我国残疾人口数量巨大，肢体功能替代与康复器械是提高残疾人生活质量及助残扶贫不可或缺的民生装备。因失去手部导致的截肢患者工作和生活能力下降，已成为无法回避的社会问题。目前我国大多数肢体残疾患者未得到有效的康复治疗。总体上看，现有的高性能灵巧假肢价格偏高，超出了大部分截肢患者的承受能力；而价格相对低廉的假肢功能和性能普遍不足。截肢患者大部分还是佩戴美容假肢，这种装饰性假肢的应用数量约占假肢市场的一半以上，但美容假肢不具备操作功能，无助于残疾人恢复生活和工作能力。现有的功能性假肢主流产品是单自由度假肢，而此类假肢只能完成简单的夹持操作，难以满足截肢患者的生活需求。国外进口的多自由度假肢以及国产的多手指假肢在结构上已足够灵巧，但其肌电接口仍是传统的开关控制，通过频繁的肌肉收缩实现自由度间的切换，使得假肢控制繁琐、不自然。肌电信号的模式识别技术实现了自然肌肉收缩到假肢手动作的直观映射，但还未从实验室研究转化为商业假肢应用，且大多数截肢患者需要很长时间的康复训练才能掌握控制技巧。此外，当前的假肢接口只关注控制指令的正向传递，忽视了假肢抓取状态的信息反馈，患者缺乏对假肢的感觉能力。若截肢患者不能感受到假肢手抓取过程中的触、压、滑等感知信息，会很大程度上影响假肢的接受度。正是由于假肢的操控性能低且缺乏感知反馈，截肢患者的假肢安装使用比例偏低。因此，本领域的技术人员致力于开发一种用于假肢手控制与感知的双向残肢接口系统，对于改善肢体残疾患者的生活质量、帮助该群体恢复生活和部分工作能力，具有重要的社会意义和经济价值。
技术实现思路
有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是既能实现对多自由度灵巧假肢的直观控制，又能感知假肢的抓取信息，其计算机辅助训练软件能帮助患者迅速掌握灵巧假肢的操控方法。为实现上述目的，本专利技术提供了一种用于假肢手控制与感知的双向残肢接口系统。在本专利技术的较佳实施方式中，一种用于假肢手控制与感知的双向残肢接口系统，包括信息采集与反馈模块、信号解码与反馈编码模块、假肢控制与感知模块、计算机辅助训练软件；信息采集与反馈模块将采集到的残肢生物信号传给信号解码与反馈编码模块，信号解码与反馈编码模块对所述生物信号进行解析并将解码出的运动指令传送给假肢控制与感知模块用以控制假肢的操作；假肢控制与感知模块将假肢的传感反馈模式传递给信号解码与反馈编码模块，信号解码与反馈编码模块对反馈模式进行编码并将反馈刺激信号传递给信息采集与反馈模块；信号解码与反馈编码模块还可将信息采集与反馈模块采集的残肢生物信号无线传输给计算机辅助训练软件，借助虚拟假肢进行康复训练。进一步地，所述信息采集与反馈模块包括至少四通道的生物传感器、至少一通道的刺激器和可伸缩结构，通过可伸缩结构把生物传感器和所述刺激器佩戴在残肢上。进一步地，所述生物传感器为肌电或近红外光谱或肌音或三者的组合传感器，用以采集残肢肌肉活动对应的生物信号。进一步地，所述刺激器为电刺激器或震动刺激器或二者的组合，用以刺激残肢产生触、压、滑等感觉。进一步地，所述生物传感器为肌电传感器时，采用金属电极片及放大滤波电路实现；所述生物传感器为近红外光谱时，采用近红外光源和光电探测器实现；所述生物传感器为肌音传感器时，采用高灵敏度麦克风或微加速度计或压电传感器及放大滤波电路实现。进一步地，所述信号解码与反馈编码模块包括数字信号处理芯片、记忆芯片、无线芯片及外围电路。进一步地，信号解码与反馈编码模块有两种工作方式，工作方式一包括训练模态和使用模态，与假肢控制与感知模块相连；工作方式二为无线通信模态，与计算机辅助训练软件相连。进一步地，所述假肢控制与感知模块包括控制芯片、驱动电路及可充电电池，将运动指令转化为假肢手电机的驱动控制信号，同时将假肢手的感知信号转化为反馈模式。进一步地，所述信号解码与反馈编码模块运行在工作方式一的训练模态时，信号解码与反馈编码模块发送训练运动指令给假肢控制与感知模块控制假肢手依次执行设定的训练动作，患者则用残肢跟随假肢执行相应肌肉收缩；信号解码与反馈编码模块依次对残肢生物信号进行数字化处理、数据加窗处理、特征提取处理并训练得出线性判别分析分类器或支持向量机分类器，以矩阵形式存储在所述记忆芯片中；所述特征为生物信号的绝对平均值、过零点数、斜率变化数、波形长度与自回归模型参数；所述信号解码与反馈编码模块的训练模态完成后自动切换至工作方式一的使用模态，依次对生物信号进行数字化处理、数据加窗处理、特征提取处理以及模式分类处理得出运动指令，同时对反馈模式进行脉冲编码处理产生反馈刺激信号。进一步地，所述线性判别分析分类器的表达如下：其中μi表示第i类动作对应的生物信号的均值特征向量，p(ωi)表示第i类动作的先验概率，∑表示生物信号特征向量的协方差矩阵，通过贝叶斯决策规则判断当前特征向量x所属的动作类别。进一步地，所述支持向量机分类器的优化求解方法如下：s.t.yi(wTφ(xi+b)≥1-ξiξi≥0其中w表示支持向量机分类器的权值矩阵；b代表支持向量机分类器的偏置；l表示训练样本的数量；ξi为松弛变量，其作用是确保在不同的动作类别分布重叠时优化问题有解；C是惩罚因子，用来控制拟合残差；y表示指标向量；φ表示支持向量机分类器的核函数，选取高斯径向基函数为核函数。进一步地，所述信号解码与反馈编码模块运行在工作方式二的无线通信模态时，将数字化处理的生物信号无线传输到所述计算机辅助训练软件，同时无线接收计算机辅助训练软件产生的反馈模式并进行脉冲编码处理产生反馈刺激信号。进一步地，所述计算机辅助训练软件包括生物信号显示界面、虚拟假肢界面和训练界面；所述计算机辅助训练软件依次对生物信号进行数据加窗处理、特征提取处理以及模式分类处理得出运动指令控制虚拟假肢手动作，同时将虚拟假肢手的感知信号转化为反馈模式；所述特征为生物信号的绝对平均值、过零点数、斜率变化数、波形长度与自回归模型参数；所述模式分类为线性判别分析或支持向量机，可由训练界面训练得出。与现有技术相比，本专利技术带来的有益效果是：1)可实现截肢患者残肢对假肢的直观操控，显著提升灵巧假肢的操控性能，促进假肢控制接口技术的升级换代；2)建立了感知反馈通道，形成了截肢残端与假肢的双向环路，让使用者感受到假肢的操作状态，可大幅提升截肢患者对假肢的接受度；3)提供的计算机辅助训练软件降低了截肢患者的康复训练对专业医师的依赖，利用虚拟训练平台便于患者快速掌握多功能假肢的使用技巧，早日回归正常生活。以下将结合附图对本专利技术的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本专利技术的目的、特征和效果。附图说明图1是本专利技术的一个较佳实施例的用于假肢手控制与感知的双向残肢接口系统组成示意图；图2是本专利技术的较佳实施例的系统结构示意图；图3是本专利技术的较佳实施例的肌电信号采集流程图；图4是本专利技术的较佳实施例的信息采集与反馈模块佩戴于残肢示意图；图5是本专利技术的较佳实施例的信号处理流程图；图6是本专利技术的较佳实施例的计算机辅助训练软件界面示意图。其中，100-信号采集与反馈模块，101-肌电传感器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于假肢手控制与感知的双向残肢接口系统，其特征在于，包括信息采集与反馈模块、信号解码与反馈编码模块、假肢控制与感知模块、计算机辅助训练软件；所述信息采集与反馈模块将采集到的残肢生物信号传给所述信号解码与反馈编码模块，所述信号解码与反馈编码模块对所述生物信号进行解析并将解码出的运动指令传送给所述假肢控制与感知模块用以控制假肢的操作；所述假肢控制与感知模块将假肢的传感反馈模式传递给所述信号解码与反馈编码模块，所述信号解码与反馈编码模块对反馈模式进行编码并将反馈刺激信号传递给所述信息采集与反馈模块；所述信号解码与反馈编码模块还将所述信息采集与反馈模块采集的残肢生物信号无线传输给所述计算机辅助训练软件，借助虚拟假肢进行康复训练。

【技术特征摘要】
1.一种用于假肢手控制与感知的双向残肢接口系统，其特征在于，包括信息采集与反馈模块、信号解码与反馈编码模块、假肢控制与感知模块、计算机辅助训练软件；所述信息采集与反馈模块将采集到的残肢生物信号传给所述信号解码与反馈编码模块，所述信号解码与反馈编码模块对所述生物信号进行解析并将解码出的运动指令传送给所述假肢控制与感知模块用以控制假肢的操作；所述假肢控制与感知模块将假肢的传感反馈模式传递给所述信号解码与反馈编码模块，所述信号解码与反馈编码模块对反馈模式进行编码并将反馈刺激信号传递给所述信息采集与反馈模块；所述信号解码与反馈编码模块还将所述信息采集与反馈模块采集的残肢生物信号无线传输给所述计算机辅助训练软件，借助虚拟假肢进行康复训练。2.如权利要求1所述的用于假肢手控制与感知的双向残肢接口系统，其特征在于，所述所述信息采集与反馈模块包括至少四通道的生物传感器、至少一通道的刺激器和可伸缩结构，通过所述可伸缩结构把所述生物传感器和所述刺激器佩戴在残肢上。3.如权利要求2所述的用于假肢手控制与感知的双向残肢接口系统，其特征在于，所述生物传感器为肌电或近红外光谱或肌音或三者的组合传感器，用以采集残肢肌肉活动对应的生物信号，所述刺激器为电刺激器或震动刺激器或二者的组合，用以刺激残肢产生触、压、滑感觉。4.如权利要求3所述的用于假肢手控制与感知的双向残肢接口系统，其特征在于，所述生物传感器为肌电传感器时，采用金属电极片及放大滤波电路实现；所述生物传感器为近红外光谱时，采用近红外光源和光电探测器实现；所述生物传感器为肌音传感器时，采用高灵敏度麦克风或微加速度计或压电传感器及放大滤波电路实现。5.如权利要求1所述的用于假肢手控制与感知的双向残肢接口系统，其特征在于，所述信号解码与反馈编码模块包括数字信号处理芯片、记忆芯片、无线芯片及外围电路。6.如权利要求1或5所述的用于假肢手控制与感知的双向残肢接口系统，其特征在于，所述信号解码与反馈编码模块有两种工作方式，工作方式一包括训练模态和使用模态，与假肢控制与感...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭伟超，盛鑫军，华磊，
申请(专利权)人：郭伟超，
类型：发明
国别省市：上海,31