專利名稱：基于神經再分布技術的肌電仿生手臂系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種利用信息與仿生控制技術的假手臂的控制裝置，更具體地說，它
涉及一種基于神經再分布技術的肌電仿生手臂系統(tǒng)。
背景技術：
對傷殘人士來說，老式假手在很大程度上只是擺設，不能傳遞任何感覺信號，因此傷殘者拿東西時必須用眼看而不是靠意識。而基于神經再分布技術的肌電仿生手臂系統(tǒng)，對于失去整個手臂的人，通過外科手術將神經放于胸肌內，將神經信號轉換為胸肌的肌電信號，通過肌電信號來控制多自由度的仿生手臂，使傷殘者可以通過意識控制手臂的動作，使其仿生手臂得以自由而精準活動，同時還可獲得久違的觸摸感。 對于仿生手臂系統(tǒng)的研究，目前國內外都取得了顯著成就，已經有很多人做了這方面的工作。主要有以下幾個方面
1.具有多個活動的關節(jié)； 2.增加各種感覺傳感器，尤其是觸滑覺傳感器實現對不同形狀物體的自適應抓取； 3.整體系統(tǒng)重量輕，體積小，簡單可靠；
4.高度集成的驅動和控制系統(tǒng)；
5.高性能的肌電一假手接口系統(tǒng)。 但是還有很多不足和需要改進的方面。首先是造價昂貴，一般傷殘人士無力承擔，另外就是功能有待改進，有的是只能根據肌電信號控制仿生手臂的屈伸，有的雖然具有觸滑覺，但是感覺不靈敏，反應不迅速，抗干擾能力不強，常常有誤動作發(fā)生，給傷殘人士在某些場合造成很大尷尬。更為重要的是目前國內大部分假肢都是針對失去部分手臂的患者，對于失去整個手臂的患者，利用肌電控制假肢還未見報道。尤其是國內目前基于神經再分布技術的肌電仿生手臂系統(tǒng)未見實用方面的報道。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是克服了現有仿生手臂功能欠缺和還不能用肌電信
號控制整個假手臂的問題，提供了一種基于神經再分布技術，能由意識控制并具有觸摸臨場感覺的基于神經再分布技術的肌電仿生手臂系統(tǒng)。 為解決上述技術問題，本發(fā)明是采用如下技術方案實現的所述的基于神經再分布技術的肌電仿生手臂系統(tǒng)包括有觸滑覺傳感器、觸滑覺信號放大電路和觸滑覺信號濾波電路。觸滑覺傳感器、觸滑覺信號放大電路和觸滑覺信號濾波電路依次電線連接。所述的基于神經再分布技術的肌電仿生手臂系統(tǒng)還包括肌電電極、電極導線、前置放大電路、濾波電路、陷波電路、轉換器、單片機、步進電機、電平轉化芯片和PC機。 肌電電極、電極導線、前置放大電路、濾波電路、陷波電路、轉換器、單片機和步進電機依次電線連接。單片機和電平轉化芯片與PC機依次電線連接。轉換器和觸滑覺信號濾波電路電線連接。肌電電極粘貼在胸部肌肉的皮膚上。電極導線、前置放大電路、濾波電路、陷波電路、轉換器、單片機、步進電機、觸滑覺信號濾波電路、觸滑覺信號放大電路和觸滑覺傳感器安裝在假手臂上。 技術方案中所述的轉換器是采用型號為ADC0809的轉換器。單片機是采用型號為AT89C51的單片機。電平轉化芯片是采用型號為MAX232的電平轉化芯片。步進電機是采用型號為20BY-20的步進電機；所述的肌電電極、電極導線、前置放大電路、濾波電路、陷波電路、轉換器、單片機和步進電機依次電線連接是指肌電電極的輸出端通過電極導線和前置放大電路中的三線插座Jl J2的1號引腳、2號引腳和3號引腳電線連接，前置放大電路的輸出端OUT和濾波電路的輸入端IN電線連接，濾波電路的輸出端OUT和陷波電路的輸入端I N電線連接，陷波電路的輸出端OUT和型號為ADC0809的轉換器的模擬信號輸入引腳INO IN7中的一個引腳電線連接。型號為ADC0809的轉換器的輸出引腳DO D7和型號為AT89C51的單片機的輸入/出引腳D0 D7電線連接。型號為AT89C51的單片機的輸入/出引腳DO D2和型號為ADC0809的轉換器的地址線引腳AO A2電線連接。型號為AT89C51的單片機的引腳麗與引腳Pu經過一級或非門后和型號為ADC0809的轉換器的引腳START與引腳ALE電線連接，型號為AT89C51的單片機的引腳^與引腳P2.7經過一級或非門后和型號為ADC0809的轉換器的引腳0E電線連接。型號為ADC0809的轉換器的引腳EOC經過一級或非門后和型號為AT89C51的單片機的引腳P3.2電線連接。型號為AT89C51的單片機的輸出引腳Pl. 0 pl. 3和型號為20BY-20的步進電機的4相繞組之間通過型號為ULN2003的功率驅動集成電路電線連接；所述的單片機和電平轉化芯片與PC機依次電連接是指型號為AT89C51的單片機的輸入引腳RXD與型號為MAX232的電平轉化芯片的輸出引腳R20UT電線連接，型號為AT89C51的單片機的輸出引腳TXD與型號為MAX232的電平轉化芯片的輸入引腳T2 IN電線連接。型號為MAX232的電平轉化芯片的輸入引腳R2 IN與型號為DB9的串口線的3號引腳電線連接，型號為MAX232的電平轉化芯片的輸出引腳T20UT與型號為DB9的串口線的2號引腳電線連接。型號為DB9的串口線另一端與PC機21電線連接；所述的轉換器和觸滑覺信號濾波電路電線連接是指觸滑覺信號濾波電路的輸出端OUT和型號為ADC0809的轉換器的模擬輸入引腳INO IN7中的一個引腳電線連接。所述的肌電電極粘貼在胸部肌肉的皮膚上是指肌電電極在移接有腋神經、肩胛上神經、肌皮神經及橈神經的鎖骨下肌、胸大肌、胸小肌及前鋸肌的皮膚上分別粘貼2 6個相同結構的肌電電極。 與現有技術相比本發(fā)明的有益效果是 1.本發(fā)明所述的基于神經再分布技術的肌電仿生手臂系統(tǒng)具有功能基本齊全，感應速度足夠快，多自由度，活動和真手相似，價格便宜等優(yōu)點，且使傷殘者具有更準確的控制能力。 2.本發(fā)明所述的基于神經再分布技術的肌電仿生手臂系統(tǒng)采用神經再分布技術，對于失去整個手臂的人仍然適用，利用肌電信號和觸滑覺信號共同決定仿生手臂的多自由度動作。


下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的說明
圖1是本發(fā)明所述的基于神經再分布技術的肌電仿生手臂系統(tǒng)的結構原理示意圖； 圖2是本發(fā)明所述的肌電信號數據采集處理及信號特征辨識子系統(tǒng)的肌電仿生手臂運動特征辨識流程示意框圖； 圖3是表示本發(fā)明所述的基于神經再分布技術的肌電仿生手臂系統(tǒng)中型號為AT89C51的單片機與型號為ADC0809的轉換器之間連接關系的示意框 圖4是表示本發(fā)明所述的基于神經再分布技術的肌電仿生手臂系統(tǒng)中所采用的前置放大電路的電原理圖； 圖5是表示本發(fā)明所述的基于神經再分布技術的肌電仿生手臂系統(tǒng)中所采用的肌電信號的濾波電路的電原理圖； 圖6是表示本發(fā)明所述的基于神經再分布技術的肌電仿生手臂系統(tǒng)中所采用的雙T型有源陷波電路的電原理圖； 圖7是表示本發(fā)明所述的基于神經再分布技術的肌電仿生手臂系統(tǒng)中所采用的觸滑覺信號的放大電路的電原理圖； 圖8是表示本發(fā)明所述的基于神經再分布技術的肌電仿生手臂系統(tǒng)中所采用的觸滑覺信號的濾波電路的電原理圖； 圖9是表示本發(fā)明所述的基于神經再分布技術的肌電仿生手臂系統(tǒng)中型號為AT89C51的單片機與型號為MAX232的芯片連接電路的電原理圖； 圖10是表示本發(fā)明所述的基于神經再分布技術的肌電仿生手臂系統(tǒng)中型號為AT89C51的單片機經驅動芯片與步進電機電線連接的電原理圖； 圖中1.腋神經，2.肩胛上神經，3.肌皮神經，4.橈神經，5.鎖骨下肌，6.胸大肌，7.胸小肌，8.前鋸肌，9.肌電電極，IO.電極導線，ll.前置放大電路，12.濾波電路，13.觸滑覺傳感器，14.陷波電路，15.轉換器，16.單片機，17.步進電機，18.觸滑覺信號放大電路，19.觸滑覺信號濾波電路，20.電平轉化芯片，21.PC機，22.胸部肌肉，23.硬件部分，24.實時分析，25.數據顯示，26.數據存儲，27.軟件部分，Rl R30.電阻，RP1 RP3.可變電阻，Cl C25.電容，LM358.運算放大器，0P07.運算放大器，AD544L.運算放大器，INA128P.儀表放大器，J1 J2.三線插座，DB9.串口線，ULN2003.驅動芯片。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明作詳細的描述 參閱圖1，基于神經再分布技術的肌電仿生手臂系統(tǒng)包括有神經再分布技術、肌電
信號數據采集處理及信號特征辨識子系統(tǒng)和觸滑覺信號采集處理及信號特征辨識子系統(tǒng)。 所述基于神經再分布技術的肌電仿生手臂系統(tǒng)的觸滑覺傳感器采用的是型號為
PVDF的觸滑覺傳感器13，采集的觸滑覺信號經觸滑覺信號放大電路18、觸滑覺信號濾波電
路19和型號為ADC0809的轉換器15進入型號為AT89C51的單片機16中。 所述的神經再分布技術是通過外科手術將患者手臂殘端的腋神經1、肩胛上神經
2、肌皮神經3、橈神經4分別移接至鎖骨下肌5、胸大肌6、胸小肌7和前鋸肌8上，并使各種
神經與各肌群建立良好的連接。這樣由患者腦部發(fā)出的控制手臂運動的神經電信號就被放
大并轉換為肌電信號，對肌電信號進行提取和分析處理，按照肌電信號的特征來完成對仿生手臂的控制。 所述的肌電信號數據采集處理及肌電信號特征辨識子系統(tǒng)它主要由硬件部分23和軟件部分27構成。硬件部分包括肌電電極9、電極導線10、前置放大電路11、濾波電路12、陷波頻率為50HZ的陷波電路14、型號為ADC0809的轉換器15、型號為AT89C51的單片機16、型號為MAX232的電平轉化芯片20和PC機21。軟件部分27主要實現的功能是對信號的采集、實時分析24、數據顯示25和數據存儲26等。通過肌電信號數據采集處理及肌電信號特征辨識子系統(tǒng)就可以實現對人體肌電信號的采集、分析、顯示，幫助研究人員找到人體放的肌電信號和形體動作間的關聯(lián)，從而為智能肌電假臂彎曲轉動的實現奠定了基礎。
所述的觸滑覺信號采集處理及信號特征辨識子系統(tǒng)也主要由硬件部分和軟件部分構成。硬件部分包括型號為PVDF的觸滑覺傳感器13、觸滑覺信號放大電路18、觸滑覺信號濾波電路19、型號為ADC0809的轉換器15和型號為AT89C51的單片機16。軟件部分包括單片機內編寫的觸滑覺信號處理程序及對步進電機的控制程序。通過觸滑覺信號采集處理及信號特征辨識子系統(tǒng)就可以實現將通過安裝在仿生手(指)上的型號為PVDF的觸滑覺傳感器13所產生的電信號反饋給型號為AT89C51的單片機16來調整智能假肢(手)的抓取動作，使智能假肢(手)具有握物感覺和握物自適應性。 通過肌電信號數據采集處理及肌電信號特征辨識子系統(tǒng)和觸滑覺信號采集處理及信號特征辨識子系統(tǒng)的協(xié)調運作，利用肌電信號和觸滑覺信號共同決定即能由意識控制仿生手臂的動作。 采用神經再分布技術對于失去整個手臂的患者，通過外科手術將患者肩部切開，進入控制肘部、腕部和手部等手臂關節(jié)的神經末梢，在不破壞神經的情況下，將腋神經1、肩胛上神經2、肌皮神經3及橈神經4的神經末梢依次分別接至胸部肌肉22的鎖骨下肌5、胸大肌6、胸小肌7及前鋸肌8上，并使各種神經與相應的肌肉組織建立良好的連接，這樣由患者大腦發(fā)出的神經電信號就能轉換為胸部肌肉22表面的肌電信號。手臂的不同運動模式分別對應具有不同特征的肌電信號，根據已提取的肌電信號的特征可以分辨出手臂要進行的各種運動。肌電電極(9)采集的肌電信號和型號為PVDF的觸滑覺傳感器13提取的觸滑覺信號共同決定仿生手臂的多自由度動作。 參閱圖1與圖2，肌電信號數據采集處理及肌電信號特征辨識子系統(tǒng)的硬件部分23包括肌電電極9、電極導線10、前置放大電路11、濾波電路12、陷波頻率為50HZ的陷波電路14、型號為ADC0809的轉換器15、型號為AT89C51的單片機16、步進電機17、型號為MAX232的電平轉化芯片20和PC機21。肌電電極9、電極導線10、前置放大電路11、濾波電路12、陷波頻率為50HZ的陷波電路14、型號為ADC0809的轉換器15、型號為AT89C51的單片機16和步進電機17它們依次電線連接。型號為AT89C51的單片機16、型號為MAX232的電平轉化芯片20和PC機21依次電線連接。肌電電極9粘貼在和胸部肌肉22自然長在一起的皮膚上，更具體地說，移接腋神經1、肩胛上神經2、肌皮神經3及橈神經4的鎖骨下肌5、胸大肌6、胸小肌7及前鋸肌8的皮膚上分別粘貼2 6個肌電電極9。肌電信號經肌電電極9采集后，經過前置放大電路11、濾波電路12、陷波頻率為50HZ的陷波電路14和型號為ADC0809的轉換器15后進入型號為AT89C51的單片機16，通過型號為MAX232的電平轉化芯片20串口通信進入PC機21進行分析處理。基于肌電信號數據采集處理及肌電信號特征辨識子系統(tǒng)的軟件部分27，即通過PC機21上的各種軟件首先提取肌電信號的信號特
7征，建立肌電信號AR參數模型，通過AR參數模型的信號變換算法提取到某類信號的特征值組，之后對提取到的肌電信號特征值組進行分類，利用BP神經網絡算法進行訓練，得到神經網絡的權值、域值等參數，再利用上述參數建立神經網絡，實際計算肌電信號特征值。肌電信號數據采集處理及肌電信號特征辨識子系統(tǒng)的硬件部分23的電極導線10、前置放大電路11、濾波電路12、陷波頻率為50HZ的陷波電路14、型號為ADC0809的轉換器15與型號為AT89C51的單片機16安裝在假臂上，步進電機17安裝在假臂之間的轉彎處。型號為MAX232的電平轉化芯片20和PC機21主要完成肌電信號的實時顯示、數據存儲及對假臂進行訓練。待訓練結束即可以將此部分移除。 參閱圖3，肌電信號經過前置放大電路11、濾波電路12和陷波頻率為50HZ的陷波電路14后，需經過型號為ADC0809的轉換器15進行數字化后送入型號為AT89C51的單片機16。型號為ADC0809的轉換器15是采樣頻率為8位的、以逐次逼近原理進行A/D轉換的器件。其內部有一個8通道多路開關，它可以根據地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉換，轉換時間為lOOiis，由于肌電信號的主要分布在頻率范圍20-500HZ內，選取型號為ADC0809的轉換器15可以滿足系統(tǒng)要求。本系統(tǒng)中使用型號為ADC0809的轉換器15可以實現8路模擬信號的AD轉換。START引腳為A/D轉換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖使其啟動，EOC引腳為A/D轉換結束信號，當A/D轉換結束時，此端輸出一個高電平，OE引腳為數據輸出允許信號，輸入高電平有效，當A/D轉換結束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數字量。ALE引腳為地址鎖存允許信號，輸入高電平有效。 型號為ADC0809的轉換器15的數據線有一個特點，就是數據只能出不能進，往型號為ADC0809的轉換器15上寫入時，把數據總線上的數據寫到地址寄存器，從型號為ADC0809的轉換器15讀出時實際是讀取轉換結果數據。因此，可以把型號為AT89C51的單片機16的輸入/出引腳D0-D7這8位數據線接到型號為ADC0809的轉換器15輸出引腳DO D7的8位數據線的同時，又把型號為AT89C51的單片機16數據線的輸入/出引腳DO D2接到型號為ADC0809的轉換器15的3根地址線引腳AO A2以確定通道號。型號為AT89C51的單片機16的麗引腳和P2.7引腳經過一級或非門后和型號為ADC0809的轉換器15的START和ALE引腳電線連接。型號為AT89C51的單片機16的Z5和P2.7引腳進過一級或非門后和型號為ADC0809的轉換器15的0E引腳電線連接。型號為ADC0809的轉換器15的EOC引腳經過一級或非門后和型號為AT89C51的單片機16的P3.2引腳電線連接。
參閱圖1與圖4，肌電電極9通過電極導線IO和前置放大電路11中的三線插座Jl J2的輸入端連接，即一個電極的輸出端與三線插座Jl或/J2的1號引腳電線連接并接地，當1塊肌肉上粘貼多個電極時二個電極的輸出端與三線插座Jl和J2的1號引腳電線連接并接地，其它電極的輸出端分別與三線插座Jl的2號引腳、3號引腳和三線插座J2的2號引腳、3號引腳電線連接做輸入。肌電電極9采集到肌電信號后進入到前置放大電路11對信號進行放大處理。在前置放大電路11中采用高輸入阻抗、高共模抑制比、增益可調的專用的型號為INA128的儀表放大器，型號為INA128的儀表放大器的增益只需一個外加電阻R3來調節(jié)，在此系統(tǒng)中采用電阻R3 = 470Q，可求得增益為107.4倍，適合應用在肌電信號采集系統(tǒng)的放大電路中。肌電信號從型號為INA128的儀表放大器的輸入引腳IN(即儀表放大器的3號引腳)輸入后經過放大，從型號為INA128的儀表放大器的輸出引腳0UT(即儀表放大器的6號引腳)輸出后進入濾波電路12的輸入端IN。
肌電信號可以分塊肌肉采集，也可多塊肌肉同時采集。為了能夠綜合評價前臂每個動作過程中，各塊肌肉發(fā)力的時間順序、做功的大小、在整個動作過程中所做的貢獻等，需要同時采集多塊肌肉的肌電信號。這時根據需要同時采集肌肉的塊數，電極導線10、前置放大電路11、濾波電路12、陷波頻率為50HZ的陷波電路14要增加1 3套并和圖1中所示的第一套結構相同的電極導線10、前置放大電路11、濾波電路12、陷波頻率為50HZ的陷波電路14并聯(lián)連接，各輸出端分別與型號為ADC0809的轉換器15的模擬信號輸入引腳INO IN7中的一個引腳電線連接。 參閱圖5，在肌電信號的采集的過程中，模擬信號的濾波電路12占有重要地位，為了有效消除干擾和噪聲的不利影響，根據肌電信號的頻帶選擇合適的濾波電路12。由于肌電信號的頻率范圍主要在10-1000HZ，而主要能量集中的頻率范圍在50-350HZ，為了減少皮膚和電極之間移動偽差產生的低頻干擾，我們選擇帶通濾波電路12的頻率范圍為20-660HZ。為此，選擇R4 = 8. 2K， C5 = 1U， R7 = 24K， C9 = 0. OIU，即可滿足所要求的帶通頻帶的范圍。前置放大電路11的輸出端0UT和濾波電路12的輸入端IN電線連接。肌電信號經放大從前置放大電路11的輸出端OUT輸出后進入濾波電路12的輸入端IN進行濾波處理，再從濾波電路12的輸出端OUT輸出的已是經過放大、濾波處理的肌電信號。
參閱圖6，雙T有源帶阻陷波電路14的特性主要取決于兩個方面。雙T網絡中，兩支路的電阻R、電容C的對稱度決定陷波點的衰減能否達到最低限度，陷波電路14中必須使R11，R12，R13和R14之間以及C10，Cll，C12和C13之間嚴格保持Rn = R12， C10 = Cu =C12 = C13， R13+R14 = Rn/2的數量關系。阻帶寬度由可變電阻RP調節(jié)，可以根據阻帶寬度的要求選擇k值。根據陷波電路14的特性參數， 一定范圍內，K值越大，Q值越高，頻率選擇性越好。但是Q值太高，陷波電路14的性能不穩(wěn)定，例如，元器件受溫度等變化影響產生的變化將使陷波點移動，造成50Hz工頻干擾得不到抑制。通常取K二0.8左右。K值過大，又將在50Hz附近丟失太多的信號，產生波形失真，對于頻帶包含50HZ的肌電信號是有所損失的。陷波電路14的輸入端IN和濾波電路12的輸出端OUT電線連接，陷波電路14的輸出端OUT和型號為ADC0809的轉換器15的模擬信號輸入引腳INO IN7中的一個引腳電線連接。 參閱圖1、圖3、圖7與圖8，觸滑覺信號采集處理及信號特征辨識子系統(tǒng)的硬件部分包括型號為PVDF的觸滑覺傳感器13、觸滑覺信號放大電路18、觸滑覺信號濾波電路19、型號為ADC0809的轉換器15和型號為AT89C51的單片機16。 型號為PVDF的觸滑覺傳感器13的一端和觸滑覺放大電路18中型號為AD544L的運算放大器的正極端電連接并同時接地，觸滑覺傳感器13的另一端通過電阻R16和型號為AD544L的運算放大器的負極端電連接。觸滑覺信號放大電路18的OUT端與觸滑覺信號濾波電路19的輸入端IN電線連接，觸滑覺信號濾波電路19的輸出端OUT和型號為ADC0809的轉換器15的模擬輸入引腳INO IN7中的一個引腳電線連接。型號為ADC0809的轉換器15的數字輸出引腳D0 D7和型號為AT89C51的單片機16輸入/輸出引腳p0. 0 p0.7(D0 D7)電線連接。型號為PVDF的觸滑覺傳感器13所采集的觸滑覺信號經過觸滑覺信號放大電路18、觸滑覺信號濾波電路19與型號為AD C0809的轉換器15后，即經過數字化處理后進入型號為AT89C51的單片機16。
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參閱圖9，型號為AT89C51的單片機16的輸入引腳RXD與型號為MAX232的電平轉化芯片20的輸出引腳R20UT電線連接，型號為AT89C51的單片機16的輸出引腳TXD與型號為MAX232的電平轉化芯片20的輸入引腳T2IN電線連接，型號為MAX232的電平轉化芯片20的輸入引腳R2 IN與型號為DB9的串口線的引腳3電線連接，型號為MAX232的電平轉化芯片20的輸出引腳T2 OUT與型號為DB9的串口線的引腳2電線連接，型號為DB9的串口線另一端與PC機21電線連接，即型號為MAX232的電平轉化芯片20通過型號為DB9的串口線與PC機21電線連接，型號為AT89C51的單片機16將接收來的數據通過型號為MAX232的電平轉化芯片20和型號為DB9的串口線傳遞給PC機21，在PC機21上對接收的信號進行分析，建立手臂運動模式與肌電信號的特征值組之間的對應關系，并對仿生手臂進行訓練。在型號為AT89C51的單片機16內編寫特定程序，根據接收到的肌電信號的特征以及這些特征值與手臂運動模式的對應關系來控制假臂內的步進電機17的工作。
參閱圖IO，在本發(fā)明所述的基于神經再分布技術的肌電仿生手臂系統(tǒng)中選用國產型號為20BY-20的步距角為18度四相的步進電機17，步進電機17使用正5V電源供電，可以和型號為AT89C51的單片機16共用一個電源。步進電機17共有4相繞組，步進電機17的4相繞組分別和型號為AT89C51的單片機16的輸出引腳pl. 0 pl. 3電線連接，即步進電機17的4相繞組由型號為AT89C51的單片機16的輸出引腳pl. 0 pl. 3控制。由于型號為AT89C51的單片機16輸出的電流脈沖很小，不能直接驅動步進電機17，故在二者之間添加了型號為ULN2003的功率驅動集成電路。從型號為AT89C51的單片機16的輸出引腳pl. 0 pl. 3輸出驅動步進電機17的驅動脈沖進入型號為ULN2003的功率驅動集成電路，型號為ULN2003的功率驅動集成電路是高耐壓、大電流達林頓陣列，由七個硅NPN達林頓管組成，該功率驅動集成電路采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可直接驅動步進電機。在此系統(tǒng)中，在型號為AT89C51的單片機16內編制程序，根據接收到的肌電信號及觸滑覺信號的特征值組控制步進電機17的轉動和停止，從而實現對仿生手臂動作的控制。
基于神經再分布技術的肌電仿生手臂系統(tǒng)的工作原理 實施基于神經再分布技術的肌電仿生手臂系統(tǒng)時，首先對于失去整個手臂的人實施外科手術，將患者斷臂殘端處的腋神經1、肩胛上神經2、肌皮神經3及橈神經4的神經末梢移接到胸部肌肉22上，即將腋神經1、肩胛上神經2、肌皮神經3及橈神經4的神經末梢依次移接到胸部肌肉22中的鎖骨下肌5、胸大肌6、胸小肌7及前鋸肌8上，并使鎖骨下肌5J匈大肌6、胸小肌7及前鋸肌8分別與相應神經建立良好的連接。這樣胸部肌肉22就能接收并放大從大腦發(fā)出的神經電(控制)信號(電子脈沖)，并將神經電信號轉換為肌電信號。 對于失去整個手臂的患者，當其腦部產生要完成某個動作的意識時，神經系統(tǒng)會向相對應的肌肉組織發(fā)出神經電信號，由于采用了神經再分布技術，這些神經電信號被轉移到患者正常的胸部肌肉組織上，當胸部肌肉22接收到這些神經電信號后，便會做出相應的響應，從而在胸部肌肉22表面產生肌電信號，肌電信號被粘貼在皮膚上的肌電電極9采集后經過放大、濾波和AD轉換后進入型號為AT89C51的單片機16內。在假手臂前端(手指上)安裝有型號為PVDF的觸滑覺傳感器13，當患者接觸到物體時，便會產生觸滑覺信號，觸滑覺信號被采集后經過處理，也送入型號為AT89C51的單片機16內，型號為AT89C51的單片機16根據肌電信號和觸滑覺信號共同決定(l個 幾個)步進電機17的工作，根據需要步進電機可以選多個，單片機與其它步進電機的連接方法與其和步進電機17的連接相同。從而實現仿生手臂的多自由度動作。
權利要求
一種基于神經再分布技術的肌電仿生手臂系統(tǒng)，包括有觸滑覺傳感器(13)、觸滑覺信號放大電路(18)和觸滑覺信號濾波電路(19)，觸滑覺傳感器(13)、觸滑覺信號放大電路(18)和觸滑覺信號濾波電路(19)依次電線連接，其特征在于，所述的基于神經再分布技術的肌電仿生手臂系統(tǒng)還包括肌電電極(9)、電極導線(10)、前置放大電路(11)、濾波電路(12)、陷波電路(14)、轉換器(15)、單片機(16)、步進電機(17)、電平轉化芯片(20)和PC機(21)；肌電電極(9)、電極導線(10)、前置放大電路(11)、濾波電路(12)、陷波電路(14)、轉換器(15)、單片機(16)和步進電機(17)依次電線連接，單片機(16)和電平轉化芯片(20)與PC機(21)依次電線連接；轉換器(15)和觸滑覺信號濾波電路(19)電線連接；肌電電極(9)粘貼在胸部肌肉(22)的皮膚上，電極導線(10)、前置放大電路(11)、濾波電路(12)、陷波電路(14)、轉換器(15)、單片機(16)、步進電機(17)、觸滑覺信號濾波電路(19)、觸滑覺信號放大電路(18)和觸滑覺傳感器(13)安裝在假手臂上。
2. 按照權利要求1所述的基于神經再分布技術的肌電仿生手臂系統(tǒng)，其特征在于，所 述的轉換器(15)是采用型號為ADC0809的轉換器(15);單片機(16)是采用型號為AT89C51 的單片機(16);電平轉化芯片(20)是采用型號為MAX232的電平轉化芯片(20);步進電機 (17)是采用型號為20BY-20的步進電機(17)。
3. 按照權利要求1所述的基于神經再分布技術的肌電仿生手臂系統(tǒng)，其特征在于，所 述的肌電電極(9)、電極導線(10)、前置放大電路(11)、濾波電路(12)、陷波電路(14)、轉換 器(15)、單片機(16)和步進電機(17)依次電線連接是指肌電電極(9)的輸出端通過電 極導線(10)和前置放大電路(11)中的三線插座J1 J2的1號引腳、2號引腳和3號引腳 電線連接，前置放大電路(11)的輸出端OUT和濾波電路(12)的輸入端IN電線連接，濾波 電路(12)的輸出端OUT和陷波電路(14)的輸入端IN電線連接，陷波電路(14)的輸出端 0UT和型號為ADC0809的轉換器(15)的模擬信號輸入引腳INO IN7中的一個引腳電線連 接，型號為ADC0809的轉換器(15)的輸出引腳D0 D7和型號為AT89C51的單片機(16) 的輸入/出引腳D0 D7電線連接，型號為AT89C51的單片機(16)的輸入/出引腳DO D2和型號為ADC0809的轉換器(15)的地址線引腳A0 A2電線連接，型號為AT89C51的單 片機(16)的引腳麗與引腳Pu經過一級或非門后和型號為ADC0809的轉換器(15)的引 腳START與引腳ALE電線連接，型號為AT89C51的單片機(16)的引腳^5與引腳P2.7經過 一級或非門后和型號為ADC0809的轉換器(15)的引腳OE電線連接，型號為ADC0809的轉 換器(15)的引腳E0C經過一級或非門后和型號為AT89C51的單片機(16)的引腳Pu電線 連接，型號為AT89C51的單片機(16)的輸出引腳pl.0 pl.3和型號為20BY-20的步進電 機(17)的4相繞組之間通過型號為ULN2003的功率驅動集成電路電線連接。
4. 按照權利要求1所述的基于神經再分布技術的肌電仿生手臂系統(tǒng)，其特征在于，所 述的單片機(16)和電平轉化芯片(20)與PC機(21)依次電連接是指型號為AT89C51的 單片機(16)的輸入引腳RXD與型號為MAX232的電平轉化芯片(20)的輸出引腳R2 OUT電 線連接，型號為AT89C51的單片機(16)的輸出引腳TXD與型號為MAX232的電平轉化芯片 (20)的輸入引腳T2 IN電線連接，型號為MAX232的電平轉化芯片(20)的輸入引腳R2 IN 與型號為DB9的串口線的3號引腳電線連接，型號為MAX232的電平轉化芯片(20)的輸出 引腳T2 0UT與型號為DB9的串口線的2號引腳電線連接，型號為DB9的串口線另一端與PC機21電線連接。
5. 按照權利要求1所述的基于神經再分布技術的肌電仿生手臂系統(tǒng)，其特征在于，所 述的轉換器(15)和觸滑覺信號濾波電路(19)電線連接是指觸滑覺信號濾波電路(19)的 輸出端OUT和型號為ADC0809的轉換器(15)的模擬輸入引腳IN0-IN7中的一個引腳電線 連接。
6. 按照權利要求1所述的基于神經再分布技術的肌電仿生手臂系統(tǒng)，其特征在于，所 述的肌電電極(9)粘貼在胸部肌肉(22)的皮膚上是指肌電電極(9)在移接有腋神經(1)、 肩胛上神經(2)、肌皮神經(3)及橈神經(4)的鎖骨下肌(5)、胸大肌(6)、胸小肌(7)及前 鋸肌(8)的皮膚上分別粘貼2 6個相同結構的肌電電極(9)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于神經再分布技術的肌電仿生手臂系統(tǒng)。旨在克服現有仿生手臂功能欠缺和還不能用肌電信號控制整個假手臂的問題。其包括有觸滑覺傳感器、觸滑覺信號放大電路和觸滑覺信號濾波電路并依次電線連接；還包括肌電電極、前置放大電路、濾波電路、陷波電路、轉換器、單片機和步進電機并依次電線連接；還包括電平轉化芯片和PC機，單片機和電平轉化芯片與PC機依次電線連接。觸滑覺信號濾波電路和電平轉化芯片電線連接。肌電電極粘貼在胸部肌肉的皮膚上，觸滑覺傳感器安裝在假手指上，電平轉化芯片和PC機調試完系統(tǒng)后拆除，其它組件安裝在假手臂上。單片機根據肌電信號及觸滑覺信號控制步進電機17轉動和停止，實現對假手臂的控制。
文檔編號A61F2/70GK101773422SQ20101010571
公開日2010年7月14日 申請日期2010年1月21日 優(yōu)先權日2010年1月21日
發(fā)明者孫保峰, 岳喜勝, 李勇強, 李陽, 田彥濤, 鄒曉亮, 鄭鑫, 陳萬忠 申請人:吉林大學