一种全仿生类脑智能手部电子机械外骨骼及其控制系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种全仿生类脑智能手部电子机械外骨骼及其控制系统，其技术特点是：该手部电子机械外骨骼包括指尖套、中节指外骨骼、近节指外骨骼、掌骨外骨骼、伸指机械驱动装置、屈指机械驱动装置、伸指人造肌腱和屈指人造肌腱及指尖压力及温度传感器、助力传感器、关节角度传感器。该系统包括多功能人脑计算机接口头盔和运动感觉系统，多功能人脑计算机接口头盔通过运动感觉系统与全仿生类脑智能手部电子机械外骨骼相连接。本实用新型专利技术可以直接控制电子外骨骼按人脑的意图产生各种动作，并运用多种方法使电子外骨骼平稳、平衡的运作，可广泛应用于神经系统损伤造成的肢体运动、肢体感觉功能障碍人群的康复、生活辅助等领域。

A Bionic Brain-like Intelligent Hand Electro-mechanical Exoskeleton and Its Control System

【技术实现步骤摘要】
一种全仿生类脑智能手部电子机械外骨骼及其控制系统
本技术属于神经电生理技术
，尤其是一种全仿生类脑智能手部电子机械外骨骼及其控制系统。
技术介绍
目前世界许多科研机构及公司都在研发机械外骨骼、机械假肢等产品，这些产品帮助肢体功能障碍的人们辅助肢体活动或肢体康复，目前这些产品均采用基于读取肌肉电信号、电子传感器信号等方式驱动机械部分，这种方式只适用于部分人群，如肢体缺失或外周神经受损的人群，但并不适用于中枢传导通路受损的的人群如脑血管病导致的偏瘫病人、高位截瘫病人、运动神经元病(渐冻人)等病人。这类产品无法与大脑建立双向反馈通路，无法实现类脑智能的全仿生功能。目前也有一些基于脑电信号驱动的机械外骨骼相关专利或产品，这类产品基于稳态视觉诱发电位(Visualevokedpotentail，SSVEP)作为设备的控制核心。此外，SSVEP受限条件非常多，包括客观因素和主管因素，其中，客观因素包括：整个视觉传导通路任何一处有病变，都会导致该设备无法使用。如常见的近视远视，散光，青光眼，白内障，各种原因导致的复视，眼底出血，眼底动脉硬化，黄斑变性，各种原因引起的视乳头水肿，视神经萎缩及病变，视神经脱髓鞘，颅内肿瘤压迫视神经或视交叉，颅内的多种病变累及视神经传导通路(如最常见的脑梗死或脑出血等疾病)，视觉皮层病变如枕叶梗死出血等，都会使该设备无法使用。另外，支配眼外肌的动眼神经，滑车神经及外展神经，任何一个神经因为任何原因受损，均会使该设备无法使用，而这些疾病恰恰是临床非常常见的疾病。主观因素包括：目前国际上公认的VEP检测方法是被试者观看不断翻转的黑白格棋盘，从而使视觉通路产生信号，来检测视觉通路是否通畅，但这种视觉诱发电位产生方式显然无法用来控制肢体运动。因此被试者要产生有效的、能对运动功能产生引导效果的视觉诱发电位，需要有能产生视觉诱发电位的有国际标准的公认的方案，方案不一致，会导致结果千差万别，很难得到公认。上述设备的视觉电位产生方案，未经过广泛的临床实验及专业认可，可用性及可推广性尚不可知，以上两点原因，导致该设备使用范围大幅度受限以及可靠性无法推断。由于人手可以完成精细复杂的动作，手部的功能非常重要，中枢及周围神经受损、肌肉疾病等均可造成手部功能障碍，而手部功能的恢复会直接带来上肢功能的恢复(大脑神经解剖结构决定)，因此手部早期康复训练就极为重要。但目前针对于手部康复的设备及训练措施非常少，康复师的手法康复治疗缺乏持续性、系统性和有效性，而患者自主康复训练往往因效果缓慢而使患者丧失康复的信心而早早放弃。
技术实现思路
本技术的目的在于弥补现有技术的不足之处，提供一种全仿生类脑智能手部电子机械外骨骼及其控制系统，解决手部功能障碍患者的自主康复效果缓慢的问题。本技术解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：一种全仿生类脑智能手部电子机械外骨骼，包括指尖套、中节指骨背侧面外骨骼、中节指骨掌侧面外骨骼、近节指骨背面外骨骼、近节指骨掌侧面外骨骼、掌骨背侧外骨骼、掌骨掌侧面外骨骼、伸指机械驱动装置、屈指机械驱动装置、伸指人造肌腱和屈指人造肌腱；每个手指的伸指人造肌腱一端连接对应指尖套指背侧并依次穿过对应手指骨背面外骨骼、近节指骨背面外骨骼、掌骨背侧外骨骼中的导管进入伸指机械驱动装置；每个手指的屈指人造肌腱一端连接对应指尖套掌侧并依次穿过对应手指骨掌侧面外骨骼、近节指骨掌侧面外骨骼、掌骨掌侧外骨骼中的导管进入屈指机械驱动装置；所述伸指机械驱动装置和屈指机械驱动装置中均设有对应每个手指的拉伸装置并进行拉伸联动；在指尖套外侧安装指尖压力及温度传感器，在指尖套内侧的手指尖指甲上部位置和手指尖指腹下部位置分别安装有助力传感器，在每个近节指骨掌侧面外骨骼及掌骨背侧外骨骼之间安装有关节角度传感器。所述伸指机械驱动装置和屈指机械驱动装置内的拉伸装置采用液压驱动方式、伺服电机驱动方式或人造肌肉驱动方式。所述采用液压驱动方式的拉伸装置结构为：设置在伸指机械驱动装置中的第一液压缸被第一活塞分成第一腔体和第四腔体，设置在屈指机械驱动装置中的第二液压缸被第二活塞分成第二腔体和第三腔体，第一腔体及第二腔体通过第一管道及第二管道与液压泵相连通，第四腔体及第三腔体通过第三管道相连通，四个腔体及管道中充满液压油；第一活塞连杆一端与第一活塞相连并随第一活塞联动，第一活塞连杆另一端与伸指人造肌腱的一端相连；第二活塞连杆一端与第二活塞相连并随第二活塞联动，另一端与屈指人造肌腱的一端相连；液压泵与多通道机械驱动装置控制器相连接并在其控制下工作。在近节指骨背面外骨骼及伸指机械驱动装置上分别设有指部固定带和腕部固定带用于与穿戴者手部固定。在伸指机械驱动装置外端还设有前臂连接杆用于连接前臂外骨骼。一种全仿生类脑智能手部电子机械外骨骼的控制系统，包括多功能人脑计算机接口头盔和运动感觉系统，所述多功能人脑计算机接口头盔通过运动感觉系统与全仿生类脑智能手部电子机械外骨骼相连接。所述多功能人脑计算机接口头盔包括立体定向磁头阵列和超微头皮电极阵列，所述立体定向磁头阵列位于大脑皮层躯体感觉中枢所对应的头皮表面用于向躯体感觉中枢传入人造感觉信号，所述超微头皮电极阵列位于大脑皮层躯体运动中枢所对应的头皮表面用于采集躯体运动中枢产生的电信号，该超微头皮电极阵列依次与信号放大器、模数转换器及信号传输器相连接。所述运动感觉系统包括感觉管理系统和手部运动管理系统，其中：所述感觉管理系统由人造感觉系统中心控制单元、磁场立体定向控制线圈控制单元和脉冲磁场线圈控制单元连接构成；所述人造感觉系统中心控制单元接收手部电子机械外骨骼中的多组关节角度传感器、压力传感器、温度传感器实时的数据信息，并对上述数据进行整合、编码后将编码信息和控制指令传送给磁场立体定向控制线圈控制单元和脉冲磁场线圈控制单元，在磁场立体定向控制线圈控制单元和脉冲磁场线圈控制单元的驱动下，立体定向磁头阵列向大脑皮层躯体感觉中枢产生能被大脑解读的脉冲磁场信号；所述手部运动管理系统包括多通道机械驱动装置控制器及脑电信号解读模块、特征脑电信号数据库、动作合成模块、握力控制模块和助力解析模块；所述脑电信号解读模块通过分析接收到的脑电信号并根据特征脑电信号数据库中存储的各种运动的特征脑电信号数据解读大脑的运动意图；所述握力控制模块接收手部电子机械外骨骼各个关节角度传感器、指尖套的压力及温度传感器产生的实时数据并产生合适的握力数据传送至动作合成模块；助力解析模块接收手部电子机械外骨骼各个指尖套内的助力传感器产生各个手指自主活动产生的实时压力数据并解析各个手指的活动意图并传送至动作合成模块；动作合成模块接收脑电信号解读模块的分析数据、助力解析模块的分析数据并生成动作指令发送至多通道机械驱动装置控制器；多通道机械驱动装置控制器接收动作合成模块的动作指令，并将相应指令分发给相应的机械驱动装置带动相应的指关节产生动作。所述动作合成模块还连接自动训练模块，该自动训练模块按照事先编制的设定向动作合成模块发送数据，动作合成模块按照该数据向多通道机械驱动装置控制器发出动作指令驱动机械外骨骼做出各种动作。所述手部运动管理系统还包括SEP刺激信号发生器和SEP解析模块，所述SEP刺激信号发生器向位于肢体及躯体体表神经传导通路上的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全仿生类脑智能手部电子机械外骨骼，其特征在于：包括指尖套、中节指骨背侧面外骨骼、中节指骨掌侧面外骨骼、近节指骨背面外骨骼、近节指骨掌侧面外骨骼、掌骨背侧外骨骼、掌骨掌侧面外骨骼、伸指机械驱动装置、屈指机械驱动装置、伸指人造肌腱和屈指人造肌腱；每个手指的伸指人造肌腱一端连接对应指尖套指背侧并依次穿过对应手指骨背面外骨骼、近节指骨背面外骨骼、掌骨背侧外骨骼中的导管进入伸指机械驱动装置；每个手指的屈指人造肌腱一端连接对应指尖套掌侧并依次穿过对应手指骨掌侧面外骨骼、近节指骨掌侧面外骨骼、掌骨掌侧外骨骼中的导管进入屈指机械驱动装置；所述伸指机械驱动装置和屈指机械驱动装置中均设有对应每个手指的拉伸装置并进行拉伸联动；在指尖套外侧安装指尖压力及温度传感器，在指尖套内侧的手指尖指甲上部位置和手指尖指腹下部位置分别安装有助力传感器，在每个近节指骨掌侧面外骨骼及掌骨背侧外骨骼之间安装有关节角度传感器。

【技术特征摘要】
1.一种全仿生类脑智能手部电子机械外骨骼，其特征在于：包括指尖套、中节指骨背侧面外骨骼、中节指骨掌侧面外骨骼、近节指骨背面外骨骼、近节指骨掌侧面外骨骼、掌骨背侧外骨骼、掌骨掌侧面外骨骼、伸指机械驱动装置、屈指机械驱动装置、伸指人造肌腱和屈指人造肌腱；每个手指的伸指人造肌腱一端连接对应指尖套指背侧并依次穿过对应手指骨背面外骨骼、近节指骨背面外骨骼、掌骨背侧外骨骼中的导管进入伸指机械驱动装置；每个手指的屈指人造肌腱一端连接对应指尖套掌侧并依次穿过对应手指骨掌侧面外骨骼、近节指骨掌侧面外骨骼、掌骨掌侧外骨骼中的导管进入屈指机械驱动装置；所述伸指机械驱动装置和屈指机械驱动装置中均设有对应每个手指的拉伸装置并进行拉伸联动；在指尖套外侧安装指尖压力及温度传感器，在指尖套内侧的手指尖指甲上部位置和手指尖指腹下部位置分别安装有助力传感器，在每个近节指骨掌侧面外骨骼及掌骨背侧外骨骼之间安装有关节角度传感器。2.根据权利要求1所述的一种全仿生类脑智能手部电子机械外骨骼，其特征在于：所述伸指机械驱动装置和屈指机械驱动装置内的拉伸装置采用液压驱动方式、伺服电...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑勇，臧大维，
申请(专利权)人：臧大维，郑勇，
类型：新型
国别省市：天津,12