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假肢手多通道电触觉系统设计与开发

假肢手多通道电触觉系统设计与开发

作者：王瀚上海交通大学

学位级别：硕士

缺少感知反馈是神经假肢手弃用率高的主要原因之一,电触觉反馈由于刺激参数解耦、电极排布灵活等优点在感知反馈领域中具有广泛的应用。电触觉反馈可以实现人机闭环控制,提升假肢手的控制性能,增强对假肢手的拥属感并降低弃用率。然而,... 详细信息

缺少感知反馈是神经假肢手弃用率高的主要原因之一,电触觉反馈由于刺激参数解耦、电极排布灵活等优点在感知反馈领域中具有广泛的应用。电触觉反馈可以实现人机闭环控制,提升假肢手的控制性能,增强对假肢手的拥属感并降低弃用率。然而,迄今为止,还没有商用假肢手可以为截肢者提供有效的电触觉反馈来完成控制闭环。除了电触觉反馈策略外,缺乏小型电刺激器也是目前电触觉反馈走向应用的重要障碍之一。本论文聚焦于假肢手的多通道小型电触觉刺激器的设计开发与电触觉反馈研究。首先,设计了两版多通道小型电触觉刺激器。两版电刺激器均采用电池供电,具有较小的体积,可以集成进假肢手的接受腔中;均可以输出多通道、参数可调的刺激,从而提供长期、丰富的电触觉反馈。Stimulator MO电刺激器基于MOSFET和运算放大器构成的电流源设计,具有6通道同时输出的能力,最大输出电流为±10 m A@±80 V,电流输出误差低于0.075 m A,4通道同时输出时功耗仅为500m W左右。Stimulator IH电刺激器基于改进荷兰泵电流源设计,具有8通道同时输出能力,最大输出电流为±10 m A@±87 V,虽然功耗较高,但体积更小,输出波形的动态性能较好,且具有实时电压电流监测以及低功耗蓝牙通信的功能。其次,针对电触觉反馈系统,设计了综合性的软件平台。软件系统由刺激控制程序,传感器数据采集程序、蓝牙通信程序以及上位机用户界面四部分构成,可以实现电刺激器多通道输出控制、传感器数据采集分析以及反馈策略设置等多种功能。针对不同硬件平台之间的通信问题,设计了多种数据的编码规范以及基于CAN的通讯协议和基于低功耗蓝牙的通讯协议。针对皮肤阻抗变化导致的刺激感知强度波动的问题,设计了皮肤阻抗测量系统并实现了相应的恒定刺激强度控制器。基于Stimulator IH电刺激器设计了电刺激系统的皮肤阻抗测量方案,可以实现在刺激的同时进行连续阻抗测量,并利用定值电阻验证了测量的准确性。基于文献研究实现了变阻抗恒定刺激强度控制器,并通过电位器模拟实验以及皮肤电极剥落实验,验证了所设计的控制器可以在阻抗变化时,动态调整刺激参数从而维持感知的刺激强度相对恒定。最后,针对多通道电触觉刺激器的集成应用,搭建了假肢手闭环反馈系统。利用压力传感器和角度传感器搭建了假肢手传感系统,并设计了相应的传感器模拟前端电路来对传感器信号进行采集和处理。设计了多传感信息的同步反馈策略,并分别通过脆弱物体抓取实验以及多尺寸,多柔软度的物体辨识实验,综合验证了所搭建的假肢手闭环反馈系统以及电触觉反馈策略的可行性和有效性。

关键词：假肢手感知功能重建多通道小型电刺激器电触觉编码

一种个性化绳索欠驱动仿人假肢手的设计方法和实践

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科学技术与工程 2024年第32期24卷 13879-13889页

作者：刘晓杰张绪树郭媛郭壮文云鹏太原理工大学生物医学工程学院晋中030600 山西华晋骨科医院康复医学科太原030400

针对当前假肢手设计成本高和外观不拟人的问题,提出和测试了一种基于人手部解剖结构、运动学实验和假肢手多刚体模型仿真的仿人假肢手设计方法。以人手为研究对象,选取“抓、握、捏”三类人手常用的手部工况,采用Vicon运动捕捉系统采集... 详细信息

针对当前假肢手设计成本高和外观不拟人的问题,提出和测试了一种基于人手部解剖结构、运动学实验和假肢手多刚体模型仿真的仿人假肢手设计方法。以人手为研究对象,选取“抓、握、捏”三类人手常用的手部工况,采用Vicon运动捕捉系统采集人手部关节运动学数据,计算各关节运动角度并进行关节运动相关性分析。采用人手计算机断层摄影(computed tomography,CT)图像建立假肢手多刚体模型。采用人手运动学实验数据对多刚体模型进行运动学仿真。最后,对假肢手多刚体模型进行3D打印,制作假肢手样机并进行抓握性能测试。样机测试结果表明:仿人假肢手可以完成“抓、握、捏”三类常见的手部动作,其单指尖力平均值为1.73 N,双指尖力为3.92 N。假肢手表面摩擦系数为0.79,抓握力为4.14 N。所设计的仿人假肢手具有拟人化的外观和基本的手部功能,其制造成本低,可满足残疾人的心理需求和购买需求。研究成果可为假肢手的个性化设计提供方法与实践参考。

关键词：个性化运动学假肢手多刚体模拟仿真

一种具有内收外展功能的假肢手手指结构设计与分析

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机械设计与研究 2022年第6期38卷 53-56,62页

作者：翟建华徐启明汪逸超辽宁工程技术大学机械工程学院辽宁阜新123000 辽宁工程技术大学先进制造技术研究院辽宁阜新123000

设计了一种能实现内收外展功能的假肢手手指。利用腱传动原理实现手指的屈曲伸展运动;四指的内收外展运动采用连杆机构实现。通过对上述两种机构的运动学分析得出理论结果,再将仿真结果与理论结果对比,并对理论曲线与仿真曲线进行分析,... 详细信息

设计了一种能实现内收外展功能的假肢手手指。利用腱传动原理实现手指的屈曲伸展运动;四指的内收外展运动采用连杆机构实现。通过对上述两种机构的运动学分析得出理论结果,再将仿真结果与理论结果对比,并对理论曲线与仿真曲线进行分析,最后通过搭建样机进行实验验证。结果表明屈曲伸展运动符合人手的真实运动情况,内收外展运动的转角范围0°~20.53°,与人手真实的运动范围相似。

关键词：腱传动 7连杆机构假肢手内收外展

抓取模式与力的同步肌电解码及假肢手肌电控制研究

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抓取模式与力的同步肌电解码及假肢手肌电控制研究

作者：朱高科中南大学

学位级别：硕士

肌电控制实现了上肢截肢患者通过大脑指挥假肢手运动的仿生功能。目前绝大多数多自由度肌电假肢只具有抓取模式的肌电控制;而残疾人更期望自主控制假肢手抓取动作的同时,能够主动调节相应抓取力的大小。针对这个现状,进行抓取模式与力... 详细信息

肌电控制实现了上肢截肢患者通过大脑指挥假肢手运动的仿生功能。目前绝大多数多自由度肌电假肢只具有抓取模式的肌电控制;而残疾人更期望自主控制假肢手抓取动作的同时,能够主动调节相应抓取力的大小。针对这个现状,进行抓取模式与力的同步肌电解码及肌电控制研究。然而,假肢手使用者若要实施不同的抓取力通常需要残肢端肌肉收缩水平的改变;肌肉收缩水平的变化导致表面肌电信号非平稳性的增强,这样造成了抓取模式识别率的下降。针对上述问题,首先从一般的肌电信号模式识别方法开始研究。以抓取模式区分度及无干扰测试集下识别率为指标,初步选择了肌电信号模式识别的特征及分类器,其中最高的抓取模式识别率为98.06±2.05%。然后,考虑肌肉收缩水平变化的情况,提出一种衡量肌电信号模式识别方法鲁棒性的指标;基于该指标在保证较小训练集的要求下,进一步选择了具有鲁棒性的肌电信号模式识别方法。其次,研究肌电信号力解码问题。分析能够体现抓取力大小的肌电信号特征;在尽量小的训练集前提下,比较“分类法”和“阈值法”两种离散力解码方法。分析结果表明阈值法表现较好而且仅需少量训练样本。结合上述鲁棒性的模式识别方法和阈值判断的力解码方法,提出了抓取模式与力的同步肌电解码方案——以肌电信号倒谱系数、斜率符号变化数组合为特征和以线性判别分析为分类器的模式识别方法;以阈值判断肌电信号绝对值均值等级为基础的离散力解码方法。基于该方案,在小训练集下的一种离线实验结果为：抓取模式解码平均正确率为87.95±5.74%,抓取力解码平均正确率为72.91±9.58%。最后,基于上述抓取模式与力同步肌电解码方案,搭建了假肢手抓取模式与力同步肌电控制实验平台。在线实验结果表明本文提出的抓取模式与力同步肌电解码方案是可行的。在较小训练集和有干扰测试集下,抓取模式解码方法具有鲁棒性,识别率约为80%;但力解码方法的稳定性不高,有待进一步改进肌电信号力解码方法。

关键词：同步肌电解码模式识别力解码肌电控制假肢手

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基于滑动检测的假肢手反射控制研究

基于滑动检测的假肢手反射控制研究

作者：李雪峰中南大学

学位级别：硕士

在非结构化环境中,虽然被抓物体的材质,重量,刚度均未知,外界扰动也不确定,人们却能够根据手的触觉信息,适当的调整抓取力的大小,实现无滑动的稳定抓取过程。然而,对于假肢手而言,由于缺乏人手的灵活性,又没有高效的皮肤感受器,非结构... 详细信息

在非结构化环境中,虽然被抓物体的材质,重量,刚度均未知,外界扰动也不确定,人们却能够根据手的触觉信息,适当的调整抓取力的大小,实现无滑动的稳定抓取过程。然而,对于假肢手而言,由于缺乏人手的灵活性,又没有高效的皮肤感受器,非结构化环境成为其实现稳定抓取的一个重要挑战。特别是当假肢手抓取力过小时,如何避免物体滑落,如何动态的应对外界环境的干扰,成为科学研究急需解决的难题。为了在假肢手上重建仿人手反射控制功能,本文从滑动检测和反射控制策略等方面入手,对假肢手的反射控制进行了深入研究,主要的工作如下：(1)在分析腱驱动假肢手结构特征的基础上,运用拉格朗日方程法建立了假肢手动力学模型,并分别运用数学软件MATLAB和动力学仿真软件ADAMS对其进行了仿真和验证,证实了动力学模型的合理性。(2)利用力敏电阻设计了一种新型滑动检测传感器,并运用短时傅里叶变换对其输出信号进行频谱分析。提出了一种基于经验模态分解算法的滑动信号检测方法,并对该方法的性能进行了实验测试,结果验证了该滑动检测方法的有效性和准确性。(3)针对假肢手抓握对象的软硬度以及滑动速度的变化,建立了假肢手模糊反射加载力模型,提出了假肢手拟人反射控制的整体策略;设计了基于滑动快慢的自适应PI力控制器。通过抓取不同软硬度物体的反射控制仿真,验证了反射控制策略的正确性和可行性。(4)基于假肢手反射控制实验平台,在抓取物体软硬度和滑动速度均变化的情况下,对假肢手进行了反射抓取力控制实验。实验结果表明,本文所设计的基于滑动检测的假肢手反射控制系统具备良好的抓握力自适应调节功能,能有效的防止物体滑动,基本实现了拟人反射控制功能。

关键词：假肢手腱驱动动力学建模滑动检测反射控制

基于人手强力抓取模式的欠驱动假肢手设计与研究

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基于人手强力抓取模式的欠驱动假肢手设计与研究

作者：徐启明辽宁工程技术大学

学位级别：硕士

近年来,假肢领域飞速发展,国内外相继出现各种具有较高的灵活性、通用性以及适应性的假肢手,但由于忽略了人手的内收外展运动,假肢手工作空间无法达到真实人手的大小,这使得假肢手在执行强力抓取模式下的抓取动作时无法完全将物体包络... 详细信息

近年来,假肢领域飞速发展,国内外相继出现各种具有较高的灵活性、通用性以及适应性的假肢手,但由于忽略了人手的内收外展运动,假肢手工作空间无法达到真实人手的大小,这使得假肢手在执行强力抓取模式下的抓取动作时无法完全将物体包络。针对这一问题,本文提出了一种基于强力抓取模式的欠驱动假肢手设计思路并对该假肢手的抓取布局点进行了规划,具体内容如下:(1)对人手形态学特征与人手抓握运动规律进行分析,为假肢手的设计提供基础,提出假肢手各组成部分的设计方法。基于人手形态学特征,确定假肢手手指长度、手掌尺寸以及接受腔大小;基于人手抓握运动规律提出了一种被动式四指内收外展机构的设计思路以及一种假肢手驱动机构的设计思路。(2)对假肢手手指进行运动学分析,并分析五指的工作空间以及影响工作空间大小的因素。采用改进D-H参数法以及解析法建立四指屈曲伸展运动和内收外展运动的运动学模型,大拇指采用改进D-H法建模,求解得出指尖位置坐标与指节尺寸和关节转角之间的对应关系,四指内收外展运动角度与杆长之间的关系;利用MATLAB将假肢手五指的工作空间具象化,建立手指工作空间的数学模型并分析影响工作空间大小的因素,得出手指的内收外展角度与工作空间大小成正比。(3)对假肢手五指进行运动学仿真,并对假肢手各组成部分进行有限元分析。以食指与大拇指为例,利用ADAMS软件对二指进行运动学仿真,结果表明本文所设计假肢手手指与人手手指的运动相符合;利用ANSYS对假肢手手指、手掌以及接受腔进行静力学仿真并分析,结果符合工作要求,对接受腔进行拓扑优化,得到性能好、质量轻的接受腔新结构。(4)对本文所设计假肢手进行抓取布局点规划,建立样机进行抓取性能测试。通过对抓取布局点的规划,得出假肢手抓取物体时的最优抓取平面以及手指接触点布局;搭建样机进行测试,结果表明本文所设计的假肢手能很好的满足设计目标。该论文有图89幅,表12个,参考文献65篇

关键词：假肢手欠驱动内收外展工作空间拓扑优化抓取布局规划

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生物机电一体化假肢手的仿真系统

生物机电一体化假肢手的仿真系统

作者：宋瑞岭上海交通大学

学位级别：硕士

随着生物机电一体化系统技术的发展,肌电控制仿人假肢手得到广泛研究。本学位论文开发了肌电控制欠驱动仿人假肢手的仿真系统。该系统可实现假肢手的操作过程模拟,用于欠驱动假肢手的运动特性以及力/力矩分配特性的计算机辅助分析。此外... 详细信息

随着生物机电一体化系统技术的发展,肌电控制仿人假肢手得到广泛研究。本学位论文开发了肌电控制欠驱动仿人假肢手的仿真系统。该系统可实现假肢手的操作过程模拟,用于欠驱动假肢手的运动特性以及力/力矩分配特性的计算机辅助分析。此外,该系统还可应用于假肢手肌电控制接口中生物信号处理与解码算法的模拟与验证,为肌电控制接口的研究和开发提供支持环境。论文的主要研究工作如下: 建立了连杆机构欠驱动拟人假肢手的运动学和静力学模型,分析了影响拟人手抓取力分配特性的主要因素。开发了欠驱动假肢手的仿真系统,可实现假肢手的运动特性、抓取静力特性仿真以及基于肌电控制信号的操作仿真。开发了肌电信号采集与处理软件系统,完成了基于USB的通讯软件开发。主要包括下位机的固件程序和上位机的客户应用程序。软件系统可实现肌电信号的特征提取和模式分类。利用所开发的假肢手仿真软件系统和信号采集处理系统,构建了欠驱动假肢手的半物理仿真平台,完成了利用多通道前臂肌电信号控制虚拟手操作的实验。仿真系统进一步开发后可应用于欠驱动仿人假肢手的计算机辅助设计,并为生物/机械接口研究实验平台。

关键词：假肢手仿真静力学运动学肌电信号

轻量化多自由度全驱动假肢手设计开发及其前馈与反馈控制方法研究

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轻量化多自由度全驱动假肢手设计开发及其前馈与反馈控制方法研究

作者：马纪德山东大学

学位级别：硕士

我国目前有超过8500万残疾人,其中肢体残疾人数超过了 2000万。手部残疾（包括先天性手功能缺陷、外伤或疾病引起的手部截肢等）对患者造成的影响最大,严重影响了患者的独立生活能力和融入社会的能力,造成了沉重的家庭和社会经济负担。... 详细信息

我国目前有超过8500万残疾人,其中肢体残疾人数超过了 2000万。手部残疾（包括先天性手功能缺陷、外伤或疾病引起的手部截肢等）对患者造成的影响最大,严重影响了患者的独立生活能力和融入社会的能力,造成了沉重的家庭和社会经济负担。假肢手是弥补缺失的手部结构、代偿受损的手部功能最直接、最有效的手段。尽管假肢手早已广泛应用,但现有的假肢手普遍存在着自由度与可靠性、多功能与轻量化、复杂度与便捷性的多重矛盾,致使实际使用效果差、患者满意度低、假肢弃用率高。在上述诸多问题中,假肢手的主动自由度低、操控性能差、整机重量大的问题尤为突出。即使少数具备高性能的机械手能够支持10个以上自由度的独立运动,但不论其选择何种驱动方式,结构都会变得复杂臃肿,无法作为假肢手日常佩戴。因此,设计开发一款多自由度、高操控性能且轻量化的假肢手意义重大。假肢手作为典型的人机共融穿戴式装备,对其有效地控制是提升操控性能的关键。现有的假肢手控制主要可分为前馈控制和反馈控制两类。前馈控制主要将假肢手的运动模式提前设定好,根据患者的意图选择其中的某个运动模式,然后向假肢手各关节发送命令完成指定的动作,其中以从手臂残肢肌肉测量得到的表面肌电信号作为意图识别的信号源最为实用。反馈控制是在假肢手中引入反馈变量,使其运行可依据反馈状态实时调整,从而获得更符合任务要求和环境约束的动作行为。现有的假肢手在前馈控制和反馈控制方面均有缺陷,例如基于残存肌肉表面肌电信号处理及意图识别的准确性较低,前馈控制的分类效果不佳;受限于假肢手紧凑设计和轻量化的要求,反馈机制很难引入假肢手系统,且无法实时准确地依据外部环境信息和任务要求的变化调整控制策略。上述前馈与反馈控制的不足严重影响了患者使用假肢的操控感和接受度,成为假肢研究中的“卡脖子”技术难题。本文针对当前假肢机械手结构与功能上的不足,以提高主动自由度、优化控制性能、降低整机重量为目标,设计开发了一款轻量化多自由度全驱动的仿生假肢手,并探究基于表面肌电信号运动意图解码的假肢手前馈控制和基于指尖接触力信号的假肢手反馈控制方法,从设计与开发、控制与仿真、抓握与分析等多个方面寻找提升假肢手性能的途径。本文的主要工作和结果如下:首先,使用仿真建模软件设计了多自由度全驱动假肢手的整体结构,实现了 14个指关节的独立运动,包括5个掌指关节（5个手指各1个）和9个指间关节（拇指1个、其余四指各2个）的屈曲与伸展。在假肢手结构设计中,对每一个关节都预留了驱动电机位置,使每个关节都可由其内置的直流电机通过齿轮啮合驱动。对假肢手关节结构与电机驱动进行运动学与动力学仿真,评估假肢手自由度设计的可行性,优化假肢手的机械结构,为下一步的控制系统开发做准备。同时,开展对比实验,使用运动捕捉系统采集多自由度假肢手、商业假肢手及健康人手运动时的位置信息,计算了标准化均方误差对两款假肢手与人手之间的轨迹相似性进行了分析。结果显示多自由度假肢手在9个关节上都表现出了高度拟人化特征,其中假肢手食指的三个旋转关节表现出了平均65%的仿生运动水平,除拇指外的四指掌指关节与近侧指间关节的运动仿生水平也在60%以上。其次,研究开发了多自由度假肢手前馈控制系统。在前馈控制方面,分别采用固定肌电电极和臂环肌电电极采集表面肌电信号（Surface electromyography,sEMG）信号,记录18位健康受试者在10种不同动作姿势下的肌肉激活程度。为了提高意图识别的准确性,使用信号质量较好的固定电极sEMG信号训练卷积神经网络（Convolutional neural network,CNN）模型,再通过迁移学习将部分卷积层转移到臂环电极sEMG模型训练中来,从而提高臂环肌电电极的分类表现,弥补截肢者由于肌电信号的缺失和异常所导致的分类效果不佳的问题。研究结果显示,迁移学习后的CNN模型对于臂环肌电电极sEMG分类准确率显著提高了 5.9%（p＜0.01）,对于单个特征的分类效果平均提升7.4%（p＜0.01）。再次,研究开发了多自由度假肢手反馈控制系统。引入了力反馈并建立基于指尖力的反馈控制系统,即通过固定在假肢手五指指尖的薄膜力传感器采集接触力信号。使用Solidworks和Adams软件中的仿真功能分析计算14个关节的转动惯量、阻尼和刚度系数,从而对假肢手建立运动控制系统的数学模型,将该数学模型代入力与力微分控制结构中计算传递函数。对假肢手14个关节进行运动控制系统建模后,将力反馈信号实时输入,实现假肢手与环境的实时交互。研究结果显示,系统可以在0.1 s的延迟内对力信号波动发出反馈控制命令,实时调制力量输出水平。最后,开展实验测试分析假肢手在力反馈控制下的抓握力量输出性能。围绕假肢手的抓握性能测试,招募健康受试者佩戴假肢手,对测试物品集中14个体积、形状、质量不同的物体进行抓握-

关键词：智能假肢假肢手前馈控制力反馈控制抓握

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复合驱动共融假肢手关节设计

复合驱动共融假肢手关节设计

作者：刘浪重庆交通大学

学位级别：硕士

共融是指机械本身与人和环境的交互,共融特性良好的机械装置能与人协作完成很多动作,并且能够保障工作的安全性。假肢手臂作为人体运动功能缺失的一种补充,与环境中的其它对象发生交互的时候很多,就要求它具有良好的共融特性。与一般机... 详细信息

共融是指机械本身与人和环境的交互,共融特性良好的机械装置能与人协作完成很多动作,并且能够保障工作的安全性。假肢手臂作为人体运动功能缺失的一种补充,与环境中的其它对象发生交互的时候很多,就要求它具有良好的共融特性。与一般机械装置不同,具有共融特性的假肢手臂运动应当具有柔性,且由于手臂运动的特殊性,需要有稳定的控制和较高的运动精度。为此,本文设计一种基于记忆合金弹簧驱动器的复合驱动共融假肢手,并在以下几个方面进行研究:(1)研究目前国内外假肢发展历史、现状及未来趋势,总结目前假肢手臂研发的热点及难点,寻找新材料、新机构在假肢手臂中的应用,针对记忆合金新材料驱动的驱动机理和特性作了深入的工作。(2)分析人体手臂的骨骼与肌肉结构,研究人体肘关节的肌肉组成及动作机理、腕关节的结构与功能以及手指驱动结构,利用记忆合金和电机复合驱动方式来模拟肘关节肌肉的运动,使关节在提升驱动性能的同时又具有共融特性;设计一种采用磁控形状记忆合金离合器的两自由度腕关节,使关节在保证灵活性的基础上简化结构;多指灵巧手采用欠驱动方式,用记忆合金弹簧驱动手指的运动。(3)分析记忆合金弹簧的力学性能的影响因素,建立复合驱动肘关节的半柔性驱动模型,利用ADAMS对肘关节进行运动学仿真;确定两自由度腕关节中磁控形状记忆合金的等效力学模型,根据运动关系得出关节两自由度配合运动时运动速度的关系;建立多指灵巧手的静力学模型,分析抓取物体时各指节的受力状况,得出各指节的接触力大小,根据回复弹簧的刚度确定的指节运动顺序,对灵巧手进行ADAMS运动仿真。(4)为了实现稳定精确的控制,总结了直流电机常用的调速方法,并在SIMULINK中建立调速系统的仿真模型进行电力系统的仿真;确定温控形状记忆合金的温度控制策略,以便增加弹簧的使用寿命和工作时的相应速度;针对记忆合金弹簧和电机复合驱动肘关节,建立与之对应的记忆合金-电机复合控制机制,来实现复合驱动关节的控制特性的优化,增强其共融特特性。本文完成了基于记忆合金材料的新型复合驱动假肢手的各关节机械结构设计,建立相应数学模型,对肘关节和手指进行了运动学分析,制定了关节运动的控制策略,制作了肘关节样机和手指模型进行试验观察,验证了记忆合金驱动在假肢中使用的可行性,为共融机械手的后续研究提供了基础。

关键词：假肢手复合驱动记忆合金欠驱动共融特性