[发明专利]肌肉力比例调速假手控制系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种控制系统，特别涉及一种肌肉力比例调速假手控制系统及方法。

背景技术

脑产生活动信号经神经传导至前臂，在肌肉表面产生电信号的同时肌肉形状将发生变化，尤其在四肢处，肌肉膨胀和收缩在表面变化十分明显。其主要特点有：信号幅值大；平稳性好；抗干扰能力强等。FMG信号的幅度大且平稳性好，因此，可用于假手动作控制等。相较而言，肌电信号由于其内在特性，如宽频带、低电压放大等，使其在控制低频活动的电子假肢时存在困难；另外还受其他一些外在因素影响，例如肌肉疲劳、皮肤潮湿等，因此，探索新的信号源控制是假手技术的一个重要发展方向。

目前，国内外在基于肌肉力的假手控制方面的研究取得了一些进展，如2003年美国New Jersey大学的Manjuladevi KUTTUVA等研究人员提出了用8枚FSR(force sensitive resistor)传感器采集信号来控制虚拟假手完成指定的动作；德国慕尼黑工业大学Yuichiro Honda等人通过在前臂阵列式放置54枚FSR传感器，形成54通道的采集系统，采集对应于6中不同手部动作的信号等。国内在这方面的研究起步较晚，哈尔滨工业大学用16个FSR传感器实现了33种手部姿势的识别。但目前市场上还没出现此类实用化的产品。最关键的问题是，这些基于FSR传感器的假手控制均不能实现假手动作的动态比例调速，无法使假手使用者根据残肢来控制假手抓握速度，抓起诸如纸杯、鸡蛋类等需要轻握的物品。如果能发明一种可以基于肌肉力大小“随心所欲”地控制假手动作速度的控制系统与方法，无疑对改进现有假手的控制具有重要意义。

发明内容

本发明是针对现在假肢控制存在的不足的问题，提出了一种肌肉力比例调速假手控制系统及方法，对假手速度进行实时调节，控制稳定。

本发明的技术方案为：一种肌肉力比例调速假手控制系统，包括FMG信号传感器组、前置预处理电路放大滤波、自增益电路、A/D转换电路、MSP430控制芯片、光电耦合电路、电机驱动及保护电路和执行机构，FMG信号传感器组紧贴人体表皮，拾取人体FMG信号经过前置放大滤波电路放大滤波，然后处理过的信号进入自增益电路程控放大，然后信号经A/D转换电路进行A/D转换，进入MSP430微处理器综合处理后，输出信号经过光耦隔离电路，输出到电机驱动及保护电路控制执行机构假手。

所述前置预处理电路选用LM324放大器；自增益电路选用集成运放LM324与多路选择开关CD4051；MSP430控制芯片选用MSP430F149芯片；光电耦合电路选择光耦TLP2530；电机驱动及保护电路中的驱动芯片选择L298N。

一种肌肉力比例调速假手控制方法，根据采集到的FMG信号时域信息—幅值不同，经过肌肉力比例调速假手控制系统后，对假手驱动电路的PWM信号占空比进行调节，改变假手驱动电路在单位周期内的导通时间，即改变驱动电路电压有效值，实现假手速度的实时调节，从FMG信号幅值的变化到PWM信号占空比的调节转换的方法如下：

1）计算FMG信号幅值采用求方差的方法：对采集到的FMG信号，以10个采样点为一组，进行分组，用求得的平均值，代替这十个采样点的值，完成了FMG信号幅值的求解，如用                                               表示第组采样点的首个采样点FMG信号幅值， 表示求均值后的第组采样点的幅值：

注：对位于采样队列尾部的最后一组采样点，采样点数目可能不满10个，此时对最后一组采样点不进行均值计算，直接用其前一组采样点的均值，代替最后一组FMG信号均值；

2）FMG信号方差计算：第组标准差计算公式为：

，当没有动作时FMG信号方差，最大动作时FMG信号方差， ；

3）PWM信号占空比的计算：设FMG信号方差时占空比定义为0，时占空比定义为100%，则时PWM信号的占空比占空比的计算公式： 

 =。

本发明的有益效果在于：本发明一种肌肉力比例调速假手控制系统及方法，对假手速度进行实时调节，控制稳定，实现产业化目标以及扩大适用者人群。

附图说明

图1为本发明肌肉力比例调速假手控制系统结构框图。

具体实施方式