[发明专利]自适应穿戴式柔顺外骨骼康复机械手的控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种机械手控制系统，特别涉及一种自适应穿戴式柔顺外骨骼康复机械手的控制系统，属于机械手控制技术领域。

背景技术

手是人类能够具有高度智慧的三大重要器官之一，手部功能、结构的复杂性使手功能康复具有效果差、周期长、任务重等问题。随着外骨骼机器人技术不断发展，外骨骼康复机械手以其可穿戴、高精度动作控制、便携等特点逐渐成为手功能康复的重要手段。目前，现有的外骨骼机械手多是针对手功能障碍的患者进行手部功能恢复训练而设计的，虽然在一定程度上减轻了医护人员的压力，但由于训练模式单一，患者参与意识低，训练效果并不显著。同时，针对无法将手部功能彻底恢复如初的患者，一味地进行训练并不是帮助患者回归生活的有效途径。

康复医学的临床研究表明，有患者运动意图主动参与的康复训练对于患者神经系统重建和运动功能恢复更加有效，这就需要精确识别患者的运动意图，以便有效地驱动机器人按照患者意愿运动，同时需要根据患者病情进行力量辅助。而基于表面肌电信号的信息来识别患者运动意图的系统已获得广泛研究，目前常见的由肌电信号来控制的机械手多为代偿性的假肢，对于肢体完整但功能受损的患者并不适用。

功能性电刺激（Functional electrical stimulation，FES）是利用微小的电脉冲序列诱发肌肉收缩，重建肢体运动功能的神经康复技术之一，主要用于因中风和脊髓损伤等神经损伤性疾病导致肢体运动功能丧失的患者的运动功能重建。相比其他康复技术，FES还有助于促进血液循环，防止肌肉废用性萎缩，促进肌肉再学习，具有不可估量的研究价值。

发明内容

本发明提出了一种自适应穿戴式柔顺外骨骼康复机械手的控制系统，通过采集控制手部运动肌肉的表面肌电信号作为输入反馈，实现对患者手功能性电刺激驱动方式和柔顺外骨骼康复机械手直线推杆电机驱动方式的协同控制，肌力较为健全的患者可以通过功能性电刺激的方式进行自主的康复训练，肌力较差的患者也可以借助直线推杆电机的助力完成康复训练；同时在机械手上安置了柔性角度传感器和压力传感器，分别用于对手指屈曲角度和指尖压力的实时反馈，实现对机械手的自适应控制，从而为患者提供日常的生活辅助。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种自适应穿戴式柔顺外骨骼康复机械手的控制系统，包含穿戴式柔顺外骨骼康复机械手、肌电采集/刺激导联模块和控制器；所述控制器包含表面肌电信号采集模块、直线推杆电机驱动模块、功能性电刺激模块，所述采集/刺激导联模块连接表面肌电信号采集模块和功能性电刺激模块，由表面肌电信号采集模块采集患者患侧手臂控制手部运动的肌肉的表面肌电信号并将所述表面肌电信号由模拟量转为数字量，并通过功能性电刺激模块对患者手臂的肌肉进行功能性功能性电刺激，所述直线推杆电机驱动模块通过鲍登线缆与穿戴式柔顺外骨骼康复机械手端的柔性驱动推杆相连；穿戴式柔顺外骨骼康复机械手端的柔性驱动推杆处放置拉力传感器，由直线推杆电机驱动模块驱动柔性驱动推杆来带动患者手指运动；用于补偿功能性电刺激不足的力矩，实现对患者手功能性电刺激驱动方式和柔顺外骨骼康复机械手直线推杆电机驱动方式的协同控制。

所述的肌电采集/刺激导联模块包括两个通道和干电极，其中，一个通道用于采集手臂上控制手部伸展运动肌肉的肌电信号或刺激手臂上控制手部伸展运动肌肉，另一个通道用于采集手臂上控制手部屈曲运动肌肉的肌电信号或刺激手臂上控制手部屈曲运动肌肉，且两通道通过分时复用方式实现肌电采集和功能性电刺激。

所述控制器还包括模式识别模块，疲劳检测模块，传感器反馈模块，所述模式识别模块用于将采集到的表面肌电信号进行处理，识别当前的手势动作；所述疲劳检测模块用于通过表面肌电信号频谱的中位频率向低频段偏移量来进行肌肉疲劳的判断检测；所述传感器反馈模块包括柔性角度传感器和压力传感器，柔性角度传感器放置于患者手指指背部，用于感知患者手指的屈曲角度，当屈曲角度达到最小限位时，停止直线推杆电机驱动模块驱动柔性驱动推杆，防止二次伤害，所述压力传感器放置于患者手指的指尖部位，用于感知患者抓取物品时的压力大小，实现患者抓握力的自适应调节控制反馈。

所述拉力传感器连接控制器，所述拉力传感器感知手指的拉力变化，由控制器对正常牵动穿戴式柔顺外骨骼康复机械手的力与拉力传感器感知到的力进行比较，当拉力传感器感知到的力小于正常牵动穿戴式柔顺外骨骼康复机械手的力的时，驱动柔性驱动推杆补偿手部不足的力矩。