技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及一種基于肌電信號(hào)控制的手臂助力器及其控制方法。

背景技術(shù)：
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人們?cè)谏钪杏袝r(shí)不免去搬動(dòng)一些較重的東西，而這些我們費(fèi)力搬起的東西往往對(duì)我們的手臂，脊椎，以及腰部帶來極大的損傷，特別是那些需要經(jīng)常搬動(dòng)重物的工人們，往往在中年時(shí)就落下一身的疾病。隨著科技的不斷發(fā)展，更多人們很快關(guān)注到這些方面，人體外骨骼應(yīng)運(yùn)而生，他可以通過被在背部的液壓裝置幫助人將重物提升起來，大大減輕人所需要的手臂力氣，但是純機(jī)械的設(shè)備必然有他的不足之處(圖9)，主要體現(xiàn)在(1)機(jī)械設(shè)計(jì)反應(yīng)不夠靈敏，無法及時(shí)反饋人體需要進(jìn)行的動(dòng)作，減緩人們的運(yùn)動(dòng)效率。(2)因人體體型不同，使用人群受限制。(3)液壓傳動(dòng)裝置背在背部太過沉重與不方便，增加了人體背部的負(fù)荷，并不利于人體的運(yùn)動(dòng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種基于肌電信號(hào)控制的手臂助力器及其控制方法。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

一種基于肌電信號(hào)控制的手臂助力器，包括固定部分、檢測(cè)部分、控制部分、動(dòng)力系統(tǒng)和電源部分。

所述固定部分包括大臂固定板、大臂固定環(huán)、小臂固定板、小臂固定環(huán)、肩部固定帶和腰部固定帶。大臂固定板與小臂固定板通過雙向軸承進(jìn)行連接；大臂固定環(huán)通過緊定螺母安裝在大臂固定板另一端；小臂固定環(huán)緊定螺母可活動(dòng)設(shè)置在小臂固定板另一端；大臂固定環(huán)和小臂固定環(huán)的直徑大小均可調(diào)；肩部固定帶一端通過肩帶固定螺母孔固定在大臂固定板4上端，另一端繞過肩部與位于臀部偏上處的腰部固定帶可活動(dòng)連接。

所述檢測(cè)部分包括三片電磁貼片，分別為電磁貼片一、電磁貼片二和電磁貼片三；電磁貼片一和電磁貼片二間距5cm沿手臂伸直方向貼在手臂肱二頭肌上；電磁貼片三貼在手臂肱三頭肌上；三片電磁貼片與musclesensor電路板通過導(dǎo)線連接；三片電磁貼片用于檢測(cè)手臂肌電信號(hào)，并將信號(hào)傳遞到musclesensor電路板。

所述的控制部分包括開發(fā)板、musclesensor電路板和電機(jī)控制板。開發(fā)板接收musclesensor電路板傳回的信號(hào)，使能電機(jī)控制板控制電動(dòng)推拉桿的伸縮。

所述動(dòng)力系統(tǒng)為電動(dòng)推拉桿。所述電動(dòng)推拉桿兩端分別通過推拉桿大臂固定螺母孔和推拉桿小臂固定螺母孔連接大臂固定板和小臂固定板，起到牽引手臂運(yùn)動(dòng)的作用。

所述電源部分用于供電；電源模塊包括12v鎳氫電池、兩塊9v無汞碳性電池和12伏轉(zhuǎn)5伏轉(zhuǎn)壓模塊；12v鎳氫電池用于為電動(dòng)推拉桿供電；兩塊9v無汞碳性電池為musclesensor電路板供電；12伏轉(zhuǎn)5伏轉(zhuǎn)壓模塊用于為開發(fā)板供電。

電磁貼片一和電磁貼片二用于檢測(cè)人體肱二頭肌和電磁貼片三檢測(cè)肱三頭肌附近收縮信號(hào)，然后通過musclesensor電路板反饋到開發(fā)板中進(jìn)行樣本分析與計(jì)算，再由開發(fā)板使能電機(jī)控制板使能推拉桿牽引手臂提起重物，起到助力作用，而且減少設(shè)備反應(yīng)時(shí)間。

本發(fā)明還涉及一種基于肌電信號(hào)手臂助力控制方法，步驟如下：

第一步：第一次佩戴時(shí)(如果為第二次穿戴，直接從第三步開始)，將電磁貼片一和電磁貼片二相距5厘米沿手臂伸直方向貼在手臂肱二頭肌上，電磁貼片三貼在手臂肱三頭肌上；打開電源開關(guān)，開發(fā)板開始工作，彎曲手臂至極限位置，約兩秒后展開，期間開發(fā)板采樣次。

第二步：導(dǎo)線將電磁貼片檢測(cè)到的肌電信號(hào)傳遞到musclesensor電路板，然后反饋到開發(fā)板模擬引腳，開發(fā)板中存儲(chǔ)有手臂助力控制參數(shù)(可根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)編程)。

第三步：將腰部固定帶固定在臀部偏上位置，大臂固定環(huán)通過緊定螺母安裝在大臂固定板另一端；小臂固定環(huán)緊定螺母可活動(dòng)設(shè)置在小臂固定板另一端；根據(jù)不同人群手臂長(zhǎng)短、粗細(xì)調(diào)整小臂固定環(huán)的位置并調(diào)整其松緊度以固定在小臂上；所述的雙向軸承與手臂肘關(guān)節(jié)相對(duì)，同時(shí)調(diào)整大臂固定環(huán)的松緊度，使其緊固在大臂上，將肩部固定帶一端通過肩帶固定螺母孔固定在大臂固定環(huán)上。另一端向后繞過肩部固定在腰部固定帶上，使人在站直狀態(tài)下肩部有輕微的壓力感。

第四步：手臂稍稍用力，電磁貼片采集到人體肱二頭肌與肱三頭肌表層肌電信號(hào)，通過導(dǎo)線傳遞到開發(fā)板的模擬引腳。

第五步：開發(fā)板接收到信號(hào)后,通過電機(jī)控制板控制電動(dòng)推拉桿進(jìn)行伸縮，電動(dòng)推拉桿帶動(dòng)小臂向上抬起，直到電動(dòng)推拉桿到達(dá)底端；反之，如果伸開小臂，則電動(dòng)推拉桿伸長(zhǎng)，帶動(dòng)小臂放下。重復(fù)以上過程。

所述的手臂助力控制參數(shù)為：

第一次彎曲手臂的過程中采樣二十次，分別計(jì)為x1-x20；設(shè)肌電信號(hào)強(qiáng)度比對(duì)量為d：

d＝∑(x1-x20)/20；

設(shè)備運(yùn)行過程中開發(fā)板模擬引腳接受數(shù)據(jù)為y；

收縮信號(hào)手臂抬起：

y≥d；

放松信號(hào)手臂放下：

y<d；

本發(fā)明的有益效果：

(1)本發(fā)明采用了肌電信號(hào)檢測(cè)模塊，可以及時(shí)檢測(cè)人體肱二頭肌與肱三頭肌附近收縮發(fā)出的表層肌電信號(hào)，并判斷人的意圖，協(xié)助完成人體相應(yīng)動(dòng)作，反映靈敏。

(2)本發(fā)明使用前可自行根據(jù)不同人體狀況調(diào)整控制參數(shù)，能適應(yīng)不同人群的需要。

(3)本發(fā)明將現(xiàn)有液壓裝置改為電控，大大減少設(shè)備對(duì)人體多余的負(fù)荷。

本發(fā)明質(zhì)量輕，穿戴方便，沒有人群限制，可應(yīng)用性強(qiáng)，效果明顯，便于推廣應(yīng)用。

附圖說明：

圖1：本發(fā)明俯視圖

圖2：本發(fā)明主視圖

圖3：電磁貼片位置展示

圖4：手臂助力器工作原理圖

圖5：手臂受力分析圖

圖6：小臂受力分析圖

圖7：本發(fā)明佩戴效果圖一

圖8：本發(fā)明佩戴效果圖二

圖9：現(xiàn)有液壓助力設(shè)備

圖中：1緊定螺母、2肩帶固定螺母孔、3推拉桿大臂固定螺母孔、4大臂固定板、5推拉桿小臂固定螺母孔、6小臂固定板、7電動(dòng)推拉、8大臂固定環(huán)、9軸承端蓋、10雙向軸承、11小臂固定環(huán)、12、電磁貼片一、13電磁貼片二、14電磁貼片三。

具體實(shí)施方式：

以左臂為例：

第一步：第一次佩戴時(shí)(如果為第二次穿戴，直接從第三步開始)，將電磁貼片一12和電磁貼片二13相距5厘米沿手臂伸直方向貼在手臂肱二頭肌上，電磁貼片三14貼在手臂肱三頭肌上；打開電源開關(guān)，開發(fā)板開始工作，彎曲手臂，約兩秒后展開。

第二步：導(dǎo)線將電磁貼片檢測(cè)到的肌電信號(hào)傳遞到開發(fā)板模擬引腳，開發(fā)板進(jìn)行分析計(jì)算，重置內(nèi)部數(shù)據(jù)。

第三步：將腰部固定帶固定在臀部偏上位置，大臂固定環(huán)8通過緊定螺母1安裝在大臂固定板4另一端；小臂固定環(huán)11緊定螺母1可活動(dòng)設(shè)置在小臂固定板6另一端；根據(jù)不同人群手臂長(zhǎng)短、粗細(xì)調(diào)整小臂固定環(huán)11的位置并調(diào)整其松緊度以固定在小臂上；所述的雙向軸承10與手臂肘關(guān)節(jié)相對(duì)，同時(shí)調(diào)整大臂固定環(huán)8的松緊度，使其緊固在大臂上，將肩部固定帶一端通過肩帶固定螺母孔2固定在大臂固定環(huán)8上。另一端向后繞過肩部固定在腰部固定帶上，使人在站直狀態(tài)下肩部有輕微的壓力感。

第四步：打開放在腰部盒子里的電源開關(guān)，機(jī)器開始運(yùn)行。

第五步：手臂稍稍用力，這時(shí)傳導(dǎo)線上的貼片采集到人體肱二頭肌與肱三頭肌表層肌電信號(hào)，通過傳導(dǎo)線傳遞到開發(fā)板的模擬引腳。

第六步：開發(fā)板接收到信號(hào)后,通過數(shù)字引腳使能電機(jī)控制板，然后由數(shù)字引腳控制推拉桿進(jìn)行伸縮，推拉桿帶動(dòng)小臂向上抬起，抬到一定角度后，數(shù)字引腳置低，退出使能狀態(tài)，如果繼續(xù)用力，推拉桿則繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，直到推拉桿到達(dá)底端，若一直在用力中推拉桿則保持位置不發(fā)生變化，如果想放下，開發(fā)板模擬引腳檢測(cè)到人體表層電流變化，數(shù)字引腳拉高進(jìn)行使能，然后推拉桿伸長(zhǎng)，將小臂放下。接下來重復(fù)以上過程。

為防止在放下小臂的過程中受傷，本發(fā)明做了分段處理，從而防止發(fā)生由于重物放下太快損傷人事情的發(fā)生。經(jīng)過磨合之后，機(jī)器便可以大大減少人在提升重物方面消耗的能量。

驗(yàn)證例：

本發(fā)明原理如下：

本發(fā)明基于肌電信號(hào)控制的手臂助力器具體助力參數(shù)如下：

將手臂簡(jiǎn)化成如圖5和圖6所示的力學(xué)模型，f為推拉桿的拉力，f1為被提升重物的重力，β角為大臂和小臂之間的夾角(45度<β<178度)，θ為推拉桿和小臂之間的夾角，如圖5對(duì)手臂整體進(jìn)行靜力分析。

(下述長(zhǎng)度單位為cm)

如圖6對(duì)小臂進(jìn)行橫桿受力分析：

以右端鉸鏈為矩心，列矩心方程：

f1*(15+x)-f*15*sinθ＝0

(5度<θ<75度)

下表為θ＝75度時(shí)，在不同的推拉桿拉力和小臂不同力臂情況下所承受重物的最大質(zhì)量。

其中f:推拉桿拉力m:被提升的重物質(zhì)量x:小臂力臂長(zhǎng)度

本發(fā)明基于上述原理設(shè)計(jì)了一種手臂助力器，可有效減輕手臂負(fù)荷。

本發(fā)明以其質(zhì)量輕，穿戴方便，沒有人群限制，可以幫助受傷的人進(jìn)行恢復(fù)訓(xùn)練，協(xié)助人們活動(dòng)和農(nóng)作，有效減輕他們手臂的負(fù)荷，可應(yīng)用性強(qiáng)，效果明顯，可以進(jìn)行大規(guī)模推廣。