肌電驅動的上肢可穿戴外骨骼系統及控制方法與流程

本發明屬于臨床康復醫學領域，具體是肌電驅動的上肢可穿戴外骨骼系統及控制方法。

背景技術：

人的肢體是一個復合而精密的動力學系統，可以進行多種復雜活動的上肢是運用最多的肢體之一，它的活動直接影響了人的生活質量。但同時它也最容易受傷、稍有不慎就可能導致殘疾，這向當今的醫療科學提出了嚴峻的挑戰。雖然康復醫療不能完全治愈和恢復被損傷的肢體，但可以通過持續的理療，修復一定的活動能力，最大程度提升患者的生活質量。因而從這個角度上講，殘疾后的康復治療對上肢運動能力的恢復仍舊非常必要。

機器人學、康復醫學、微電子技術和計算機技術等新興科學技術的快速發展，大力推進了康復醫療設施的智能化，這給隸屬于生物醫學工程技術的醫用機器人帶來了高速發展的新機遇。作為近年來涌現的一種新興科技，康復機器人技術不僅研究內容多而雜，而且牽扯到多學科的交叉，但由于其具備的高使用價值和廣袤發展前景，因而受到了國際科學界的廣泛關注。近二十年來，國內外的諸多科研人員已研制出了形形色色的肢體康復人系統。這些機器人風格迥異，樣式也不盡相同，但究其根本，都是為了推動對患者進行的康復運動訓練，最終早日實現真正臨床層面的應用。

針對癱瘓患者康復訓練過程中，缺乏生物反饋從而過度依賴康復機器人外骨骼輔助力，而減少自身肌肉群組主動施力，僅僅被動跟從訓練的問題，通過實時表征肌肉群組機能活躍程度，作為人機神經感知接口的反饋與控制信道，從而達到自然而無約束地更正人機協作模式，漸進有效地矯正步態，并調動神經可塑性達到最佳狀態的目的，為康復機器人的主-從智能控制策略及其在康復訓練中的臨床應用奠定基礎，具有非常重要的理論意義和工程應用價值。

技術實現要素：

為解決上述存在的問題，本發明的目的在于提供肌電驅動的上肢可穿戴外骨骼系統及控制方法，該外骨骼系統基于人體神經康復信號主動控制，能夠根據檢測到穿戴者肌肉組織的肌電信號，捕捉穿戴者運動意圖，由肌電驅動的上肢可穿戴外骨骼系統提供所需動力輔助穿戴者實現運動目的。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的。

肌電驅動的上肢可穿戴外骨骼系統的控制方法，包括：

采集人體的上臂神經肌電信號；

對采集到的神經肌電信號依次進行放大、濾波和歸一化處理；

將處理后的神經肌電信號進行再處理和分析，得到控制信號；

上肢可穿戴外骨骼系統接收控制信號，并根據該信號進行動作。

所述的采集人體的上臂神經肌電信號過程中采集三個部位的神經肌電信號，三個部位分別是需要檢測肌肉的中央部位、肌肉的末端和需要檢測肌肉臨近的骨頭上或肌肉較少的位置。

所述的濾波處理為中值濾波或平滑濾波。

所述的將處理后的神經肌電信號進行再處理和分析包括對該信號進行噪聲消除、噪聲濾波和噪聲平滑，再提取有效信號作為控制信號。

肌電驅動的上肢可穿戴外骨骼系統，包括：

神經肌電信號采集模塊，用于采集人體的上臂神經肌電信號；

主控板，用于對采集到的神經肌電信號依次進行放大、濾波和歸一化處理；

神經肌電信號處理模塊，用于將處理后的神經肌電信號進行再處理和分析，得到控制信號，并將控制信號發送給主控板；

上肢可穿戴外骨骼系統，用于接收控制信號，并根據該信號進行動作。

所述的主控板上連接有A/D采集卡和上位機，主控板通過上位機與神經肌電信號處理模塊連接，A/D采集卡用于將主控板處理過的神經肌電信號發送給上位機，上位機用于將該信號發送給神經肌電信號處理模塊并把神經肌電信號處理模塊處理得到的控制信號發送給主控板。

所述的上位機上連接有人機交互界面。

所述的神經肌電信號采集模塊上設有三個表面電極，神經肌電信號采集模塊通過三個表面電極采集人體的上臂神經肌電信號。

所述的表面電極為AgCl表面電極。

本發明具有如下有益效果：

本發明的肌電驅動的上肢可穿戴外骨骼系統通過神經肌電信號采集模塊采集人體的上臂神經肌電信號；再通過主控板對采集到的神經肌電信號依次進行放大、濾波和歸一化處理；再通過神經肌電信號處理模塊將處理后的神經肌電信號進行再處理和分析，得到控制信號，并將控制信號發送給主控板；再通過上肢可穿戴外骨骼系統接收控制信號，并根據該信號進行動作。

本發明能夠根據檢測到穿戴者肌肉組織的肌電信號(EMG，生理電信號)，捕捉穿戴者運動意圖，由上肢可穿戴外骨骼系統提供所需動力輔助穿戴者實現運動目的，能夠幫助上肢殘疾或者上肢活動能力較弱的群體來實現一些簡單生活能力；

本發明它將機器人技術引入臨床康復醫學領域，為了解決傳統臨床運動療法存在的諸多問題、開辟嶄新的上肢殘疾運動康復技術路線，把智能控制與人體運動相結合，輔助患者進行上肢康復訓練，替代了傳統的康復醫師運用各種訓練手法；

本發明是基于肌電信號的外骨骼系統而設計，肌電信號是肌肉纖維受到來自神經的刺激后產生的生物電信號的測量值，肌電信號能在一定程度上反映神經肌肉的活動的變化規律，因而在康復醫學臨床和基礎研究等方面均有重要的學術價值和應用意義。

進一步的，本發明的神經肌電信號采集模塊上設有三個表面電極，分別設置在需要檢測肌 肉的中央部位、肌肉的末端和需要檢測肌肉旁邊的骨頭上或肌肉較少的位置，使得信號采集的數據更加全面，有助于數據分析模塊生成的動作的控制信號更加準確。

進一步的，由于神經肌電信號采集模塊采集的肌電信號非常弱，采集環境比較復雜，在采集和傳輸的過程中容易受到周圍電場和電路噪音的影響，本發明通過主控板對肌電信號進行放大、濾波和歸一化處理，再通過神經肌電信號處理模塊使原始肌電信號上的噪聲和毛刺被很好地削弱，曲線則近乎平滑，使得數據分析模塊能夠生成有效的控制數據，使控制部分的動作更加穩定可控。

【附圖說明】

圖1為本發明的實現裝置示意圖，圖1(a)為本發明的實現裝置的實現過程示意圖；

圖2為本發明的上肢肌電驅動的上肢可穿戴外骨骼系統的系統框圖；

圖3(a)為本發明的上肢可穿戴外骨骼系統采集的EMG信號；圖3(b)為將EMG信號通過中值濾波后的信號，圖3(c)為將EMG信號平滑濾波后的信號；

其中：1-相機，2-上肢可穿戴外骨骼系統，3-表面電極、4-神經肌電信號處理模塊，5-肘關節輔助驅動的執行機構、6-水杯。

【具體實施方式】

下面結合附圖來對本發明做進一步的說明。

如圖1和圖1(a)所示，本發明根據檢測到穿戴者肌肉組織的神經肌電信號，捕捉穿戴者運動意圖，由外骨骼系統提供所需動力輔助穿戴者實現運動目的，幫助上肢殘疾或者上肢活動能力較弱的群體來實現一些簡單生活能力。圖1(a)為患者實現喝水的動作的過程。

本發明通過采集患者康復訓練時的神經肌電信號，并對含有噪聲的神經肌電信號進行處理，最后得到有效的信號來控制上肢肘關節的運動。

本發明采用如下技術方案：

如圖2所示，結合圖1及圖1(a)，本發明的肌電驅動的上肢可穿戴外骨骼系統，包括：

神經肌電信號采集模塊，用于采集人體的上臂神經肌電信號，神經肌電信號采集模塊上設有三個AgCl表面電極，神經肌電信號采集模塊通過三個表面電極采集人體的上臂神經肌電信號；主控板，用于對采集到的神經肌電信號依次進行放大、濾波和歸一化處理；神經肌電信號處理模塊，用于將處理后的神經肌電信號進行再處理和分析，得到控制信號，并將控制信號發送給主控板；上肢可穿戴外骨骼系統，用于接收控制信號，并根據該信號進行動作。

主控板與神經肌電信號采集模塊、上肢可穿戴外骨骼系統、A/D采集卡和上位機分別連接，上位機與神經肌電信號處理模塊和A/D采集卡分別連接，上位機上還連接有人機交互界面；A/D采集卡用于將主控板處理過的神經肌電信號發送給上位機，上位機用于將該信號發送給神經肌電信號處理模塊并把神經肌電信號處理模塊處理得到的控制信號發送給主控板。

本發明的A/D采集卡為USB A/D采集卡。

本發明的肌電驅動的上肢可穿戴外骨骼系統的控制方法，包括：

采集人體的上臂神經肌電信號，采集時，采集三個部位的神經肌電信號，三個部位分別是需要檢測肌肉的中央部位、肌肉的末端和需要檢測肌肉臨近的骨頭上或肌肉較少的位置；

對采集到的神經肌電信號依次進行放大、濾波和歸一化處理，其中濾波處理通過中值濾波或平滑濾波；

將處理后的神經肌電信號進行再處理和分析，再處理和分析包括對該信號進行噪聲消除、噪聲濾波和噪聲平滑，將對位肌肉收縮結合計算運動意圖如下公式，就此提取有效信號作為控制信號；

EEMG_motion(t)＝B(t)-T(t)

最后，上肢可穿戴外骨骼系統接收控制信號，并根據該信號進行動作。

如圖2所示，本發明上肢肌電驅動的上肢可穿戴外骨骼系統主要包括神經肌電信號的采集模塊、神經肌電信號的處理模塊、人機交互界面以及上肢可穿戴外骨骼系統四個部分的實現。方案圖中各個模塊的分析與說明如下：

神經肌電信號采集模塊：通過神經肌電信號傳感器檢測人體的上臂肌電信息，采集肌電信號的表面電極選用AgCl表面電極，它的顯著優點是極化電壓小，能夠快速準確地獲取所需信號。

主控板：本發明中采用Arduino UNO作為主控板，采用ATmega328單片機。通過主控板實現對采集到的神經肌電信號進行放大、濾波和歸一化處理，同時上位機發送控制信號實現對上肢可穿戴外骨骼系統的動作控制。

USB A/D采集卡：主控板通過USB A/D采集卡將采集到的肌電信號發送到上位機進行處理和分析。

肌電信號處理模塊：由于神經肌電信號采集的過程不穩定且容易發生各種變化，采集到的神經肌電信號亦會受到外界環境各種干擾的污染，除了采集設備本身存在的噪聲外，周圍環境的噪聲和人體皮膚表面的噪聲都會對信號的采集產生不利影響。因此，要想完整準確地得到神經肌電信號所含的各類信息，噪聲消除、噪聲濾波和噪聲平滑是首要工作。在本發明中使用matlab軟件對采集的神經肌電信號進行處理分析，提取有效的信號作為控制信號。

人機交互界面：為了方便對系統進行調試，在設計中增加了人際交互界面。具體的圖形用戶界面包括兩個區域：端口設置區和波形顯示區。端口設置區主要完成對端口的設置，波形顯示區用來顯示理論驅動電壓的波形，通過該波形可以基本了解驅動電壓的變化趨勢。

上肢可穿戴外骨骼系統：采用經處理的有效信號對肌電驅動的上肢可穿戴外骨骼系統進行控制，使其實現不同的動作。本發明采用兩相四線的步進電機對上肢可穿戴外骨骼系統進行控制，L298P擴展板作為驅動板，Arduino UNO主控板作為控制單元。

目前上肢殘疾患者的臨床康復治療常采用的方法是醫生徒手或借助機械用具連續對患肢做被迫訓練、重復引導，這種傳統的治療方法強度大、效能低，評估結果易受外界環境的各種干擾。為了解決傳統臨床運動療法存在的諸多問題、開辟嶄新的上肢殘疾運動康復技術路線，作為時代要求的外骨骼康復機器人由此誕生。它將機器人技術引入臨床康復醫學領域，把智能控制與人體運動相結合，輔助或替代醫師完成患肢康復訓練，可以有效解決傳統復訓練方法中存在的問題。

本發明是基于肌電信號的外骨骼康復機器人而設計，肌電信號是肌肉纖維受到來自神經的刺激后產生的生物電信號的測量值，肌電信號能在一定程度上反映神經肌肉的活動的變化規律，因而在康復醫學臨床和基礎研究等方面均有重要的學術價值和應用意義。

本設計的具體實施方式主要包括人機交互軟件包設計與實現和硬件設計與實現三個部分。

1.1.人機交互系統設計

在設計過程中，為了便于對機器人進行控制，同時也是為了給用戶創造良好的人機交互體驗，開發了一套能夠對數據進行實時采集、分析處理并進行圖形化顯示的人機交互系統。圖形用戶界面中全部的運算、繪圖等操作均封裝在了程序內部，使用者無需探尋該過程中一系列復雜而繁瑣的代碼，只需要和前臺界面交互即可，這大大提升了程序的易用性，成為了一種人機交互的有效措施和優良策略。對于不同的應用對象，設計不同的虛擬環境的用戶界面，醫師可以針對病患的身體狀況，對外骨骼的各關節的活動幅度和轉動角速度加以調整，對病患進行漸進式的治療；病患可以根據自己的需求，在用戶界面選擇不同的運動類型及運動模式，并從界面獲得所需的訓練結果信息，以此來鼓勵患者進行康復訓練，提高康復訓練的效果。

人機交互軟件包設計步驟如下：

第一、首要明確用戶圖形界面所要實現的主要功能，分析主要任務。第二、其次在上述前提下，需要繪制草圖并對界面進行粗略的設計，這時應立足于用戶的視角，注意感受用戶的使用體驗。第三、在繪制草圖的基礎上進行界面制作，合理設置控件的屬性參數。第四、編寫程序，仔細檢驗程序可能存在的各類問題。

具體實現過程如下所示：

設計人機交互軟件包，可進行肌電信號的采集與處理，并通過串口進行信號的發送，實現實時分析。例如點擊“打開”按鈕，可以看到在左側的坐標軸中有實時波形顯示，并且可以讀取到每時刻的數據值。

本設計通過表面電極采集肌電信號的信息，但由于肌電信號非常弱，采集環境比較復雜，在采集和傳輸的過程中容易受到周圍電場和電路噪音的影響。在本發明中，采用了Arduino開發板作為主控板，將原始肌電信號進行放大濾波，通過USB A/D采集卡轉換成數字量傳送給PC即上位機。同時，上位機可保存接收到的數據，可以點擊“保存”按鈕，這樣程序就在相應的目錄創建了一個txt文件，并將獲取到的數據實時保存。

如圖3(a)至圖3(c)所示，肌電信號采集的過程不穩定且容易發生各種變化，采集到的信號亦會受到外界環境各種干擾的污染，除了采集設備本身存在的噪聲外，例如周圍環境的噪聲和人體皮膚表面的噪聲都會對信號的采集產生不利影響。因此，不論從單一的時域特性或是頻域特性來提取信號的屬性都很難刻畫信號的內在規律，要想完整準確地得到神經肌電信號所含的各類信息，噪聲消除、噪聲濾波和噪聲平滑是首要工作。本發明對于肌電信號的處理主要采用的是中值濾波和平滑濾波兩種濾波方法。

如圖3(b)所示，中值濾波是基于排序統計理論的一種能有效抑制噪聲的非線性信號處理技術，以信號數字序列為基礎，其基本原理是把數字序列中一點的值用該點的一個鄰域中各 點值的中值代替，讓周圍的信號值接近的真實值，從而消除孤立的噪聲點。方法是用某種結構的二維滑動模板，將板內像素按照像素值的大小進行排序，生成單調上升(或下降)的為二維數據序列。二維中值濾波輸出為g(x,y)＝med{f(x-k,y-l),(k,l∈W)}，其中，f(x,y)，g(x,y)分別為原始信號和處理后信號。

如圖3(c)所示，平滑濾波是一種空間域的低頻增強濾波技術，平滑濾波器就是用濾波掩模確定的鄰域內像素的平均灰度值去替代圖像的每個像素點的值。一般方法是進行簡單平均，可以理解為求取鄰近像素點平均亮度值。同時，合理地選擇鄰域大小直接關系到平滑濾波的效果，在一定范圍內鄰域越大效果約佳，如果超過了這個范圍則會嚴重損失邊緣信息，甚至丟失輸出信號的特征信息。

采集到的神經肌電信號波形如圖3(a)所示，可以看到經過中值和平滑濾波后，原始肌電信號上的噪聲和毛刺被很好地削弱，曲線則近乎平滑。

同時可以在線控制上肢可穿戴外骨骼系統，發送控制指令有兩種方式：一是通過可編輯文本框，向內部填寫需要發送的數據，再點擊“手動發送”按鈕即可，或者也可以設定發送周期定時發送；二是載入txt文件發送，點擊“載入文件”，此時已經將對應目錄下txt文件中的數據讀取到工作環境中，再通過設定發送周期，同樣將數據以一定頻率發送給了串口，此時可以在左下方坐標軸中看到電機運行位置反饋。

本發明的硬件設計包括肌電信息的采集和上肢康復機械手臂的控制，具體的實現主要分為以下幾個步驟：

第一步，肌電信號的采集。在本發明中，我們以被廣泛應用的開源硬件開發平臺Arduino為例，配合神經肌電采集模塊采集肌電信號，以此作為外骨骼系統的輸入。需注意，為了獲得較為理想的神經肌電信號則需確定要檢測肌肉組織的部位，并在連接測量電極之前將測量部位的皮膚做徹底清潔。

神經肌電信號的采集硬件連接在測試中需要三片電極貼片，將第一片電極片貼在需要檢測肌肉的中央部位，連接紅色的電纜線插頭；將第二片電極片貼在上述需要檢測的肌肉的末端位置，連接綠色的電纜線連接頭；將第三片電極片貼放在檢測肌肉臨近的骨頭上或者其他周圍肌肉較少的地方，連接黃色的電纜線連接頭。

第二步，上肢可穿戴外骨骼系統的控制。在前兩步中已經實現了神經肌電信號的實時采集和處理，通過GUI界面將采集到的神經肌電信號波形和處理后的波形顯示出來，得到的信號即可作為控制信號控上肢康復系統的運動。考慮到本發明主要是輔助患者進行上肢運動，進行康復訓練，實現肘關節隨著自主肌電信號的隨動的動作。最終的肌電驅動的上肢可穿戴外骨骼系統包括電路盒中集成的肌電信號傳感器、主控芯片、電機的驅動芯片，電路的12伏的供電電源，上肢可穿戴外骨骼系統和人機交互界面。

總之，上肢可穿戴外骨骼系統輔佐醫生對殘疾患者做康復訓練，填補了臨床康運動治療的諸多漏洞，在不久的將來更是有望替代人工治療，是機器人技術在康復醫療領域的一次重要實踐，康復機器人的探索和研究使醫學和工學的聯系更加密切，為人類醫療事業發展開拓了更為廣闊的愿景，對人類未來的發展有重要的實際價值。

本發明的主要結論有以下幾個方面：

1.深入探究神經肌電信號的生成機理；表面肌電信號采集的方法，以Arduino配合肌電傳感器搭建了下位機即肌電信采集部分的硬件及軟件程序，同時對神經肌電信號的處理常用方法進行了研究，綜合各類方法優點，提出了一套肌電信號濾波系統并生產上肢可穿戴外骨骼系統運動控制的反饋信號，并進行了軟件實施。

2.研究人體上肢活動的主要方式，本次設計的肌電驅動的上肢可穿戴外骨骼系統，在solidworks軟件中繪制的三維模型能全面模擬人體上肢運動，設計完成肌電信號自主控制的主動與被動運動的外骨骼式上肢可穿戴外骨骼系統樣機。

3.基礎開發了一套人機交互系統作為控制外骨骼各種活動的上位機，包含轉速波形區主要完成對實測轉速波形的顯示，能夠直觀地看到實際轉速的波形，以便與理論形成對照。

本發明公開的肌電驅動的上肢可穿戴外骨骼系統及控制方法，為了便于病患對外骨骼系統進行自主智能化控制，采用肌電信號，即來自肌肉纖維受到來自神經的刺激后產生的生物電信號的測量值，通過表面肌電信號能在一定程度上反映神經肌肉的活動的變化規律，以被廣泛應用的開源硬件開發平臺Arduino為例，配合肌電傳感器采集神經肌電信號，以此作為外骨骼系統的控制回路輸入。并提出原始的肌電信號進行處理方法，將采集到的信號送由PC機進行信號進行反饋控制。最后將得到的有效信號作為控制信號輸出給執行機構。同時，為了給用戶創造良好的人機交互體驗，我們以MATLAB為例，運用GUI圖形用戶界面功能，結合無線通信和同步跟蹤控制的相關知識，開發了一套能夠對數據進行實時采集、分析處理并進行圖形化顯示的人機交互系統。GUI交互界面將外骨骼系統的各個環節串聯了起來，構成了一個有機整體，用戶對外骨骼進行的所有操作都通過它來完成。因而在康復醫學臨床和基礎研究等方面均有重要的學術價值和應用意義。