本發(fā)明涉及一種基于肌電解碼抓握力和肌肉剛度的柔順抓握控制方法，基于生物學(xué)肌肉模型對人手的抓握力和抓握時(shí)的肌肉剛度進(jìn)行肌電解碼來控制假肢手，能夠根據(jù)人手的抓握意圖主動(dòng)調(diào)整控制器的期望力和剛度參數(shù)，實(shí)現(xiàn)基于人手抓握意圖的柔順抓握控制。

背景技術(shù)：

1、肌電控制假肢手是一種利用肌電信號來驅(qū)動(dòng)和控制假肢手運(yùn)動(dòng)的先進(jìn)技術(shù)。當(dāng)用戶試圖移動(dòng)殘肢上的肌肉時(shí)，這些肌肉會產(chǎn)生微弱的電信號。通過在皮膚表面或肌肉內(nèi)部放置電極，這些信號可以被捕捉并傳送到假肢手的控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)經(jīng)過信號放大、過濾和處理后，將用戶的肌肉活動(dòng)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的假肢動(dòng)作，例如手的開合、抓取和旋轉(zhuǎn)等。通過這種方式，假肢手能夠更加自然和靈活地響應(yīng)用戶的意圖，使用戶在使用假肢手時(shí)體驗(yàn)到更高的控制精度和可靠性。這種技術(shù)的應(yīng)用不僅顯著提高了假肢的功能性，還極大地改善了用戶的生活質(zhì)量。肌電控制假肢手可以幫助用戶完成日常生活中的各種基本操作，如拿取物品、開關(guān)門窗等，從而使他們能夠更加獨(dú)立地生活。此外，這種技術(shù)還可以用于更復(fù)雜的任務(wù)，例如操作工具、進(jìn)行精細(xì)的手工操作等，展現(xiàn)了其在康復(fù)醫(yī)學(xué)和輔助技術(shù)領(lǐng)域的巨大潛力。

2、但是目前人手的抓握解碼主要關(guān)注于抓握力大小的解碼，而人手的抓握動(dòng)作不僅包含抓握力也包含肌肉剛度，為了避免對物體造成損傷時(shí)，人手往往會采用較小的肌肉剛度去接觸物體。因此，為了實(shí)現(xiàn)對物體的柔順抓握，在估計(jì)抓握力大小的基礎(chǔ)上，還需要進(jìn)一步對抓握時(shí)的肌肉剛度進(jìn)行估計(jì)。另一方面，為了使假肢手能夠更好的模擬人手，避免對被抓物體造成破壞，需要根據(jù)肌電信號獲得的抓握力以及肌肉剛度來控制假肢手進(jìn)行柔順抓握?？紤]到阻抗控制通過設(shè)計(jì)虛擬的阻抗質(zhì)量剛度阻尼，來使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)受到環(huán)境影響時(shí)能夠表現(xiàn)出期望的響應(yīng)特性。通過調(diào)節(jié)剛度和阻尼參數(shù)，系統(tǒng)可以表現(xiàn)出柔順的特性以適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境，可以用于基于肌電信號的柔順抓握控制。但是阻抗控制器中的參數(shù)選擇依賴工程經(jīng)驗(yàn)，接觸未知環(huán)境時(shí)適應(yīng)性差，容易產(chǎn)生較大的控制誤差和不穩(wěn)定現(xiàn)象。因此，從肌電信號中獲得抓握力和肌肉剛度，結(jié)合柔順控制方法來綜合調(diào)整假肢手控制器的期望力和剛度參數(shù)，能夠更好的反應(yīng)人手的抓握意圖，進(jìn)一步拓展假肢手的使用場景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提出一種基于肌電解碼抓握力和肌肉剛度的柔順抓握控制方法，通過建立肌肉收縮的動(dòng)力學(xué)生物模型對肌電信號中的抓握力和肌肉剛度信息進(jìn)行解碼，并且根據(jù)獲得的抓握力和肌肉剛度控制假肢手，實(shí)現(xiàn)假肢手的柔順抓握控制。首先，基于hulexy生物學(xué)肌肉模型建立人手的抓握力估計(jì)方法，然后進(jìn)一步根據(jù)肌肉收縮原理建立人手的肌肉剛度的估計(jì)方法，接下來基于模糊邏輯關(guān)系建立了人手的肌肉剛度與假肢手控制器的剛度參數(shù)之間的映射關(guān)系，最后結(jié)合阻抗控制算法提出了欠驅(qū)動(dòng)假肢手的柔順抓握控制方法。

2、本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

3、一種基于肌電解碼抓握力和肌肉剛度的柔順抓握控制方法，包括以下步驟：

4、步驟一，建立假肢手抓握物體時(shí)的生物學(xué)肌肉收縮模型，并根據(jù)該模型實(shí)現(xiàn)肌電信號對抓握力和肌肉剛度的估計(jì)；

5、步驟二，根據(jù)假肢手的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)關(guān)系，建立假肢手的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型；

6、步驟三，根據(jù)人手的操作特點(diǎn)，建立人手抓握物體時(shí)的肌肉剛度與假肢手控制器的剛度參數(shù)之間的映射關(guān)系；

7、步驟四，結(jié)合肌電信號解碼出的人手抓握力和肌肉剛度提出基于肌電解碼的抓握力和肌肉剛度的柔順控制方法。

技術(shù)特征：

1.一種基于肌電解碼抓握力和肌肉剛度的柔順抓握控制方法，適用于控制肌電假肢手對物體進(jìn)行柔順抓握，利用肌電信號對人手抓握物體時(shí)的抓握力和肌肉剛度進(jìn)行解碼，通過建立人手的肌肉剛度與假肢手控制器的剛度參數(shù)之間的映射關(guān)系，能夠?qū)崿F(xiàn)假肢手對不同特征物體的柔順抓握，其特征在于：首先，根據(jù)生物學(xué)肌肉模型建立肌電信號對人手抓握力的估計(jì)方法；其次，進(jìn)一步結(jié)合肌肉的收縮原理建立肌電信號對肌肉剛度的估計(jì)方法；然后根據(jù)人手的操作特點(diǎn)建立人手的肌肉剛度與控制器的剛度參數(shù)之間的映射關(guān)系；最后結(jié)合被控對象的模型實(shí)現(xiàn)基于肌電解碼抓握力和肌肉剛度的柔順抓握控制；基于肌電解碼抓握力和剛度的柔順抓握控制方法具體步驟如下：

2.按照權(quán)利要求1中第三步所述的映射關(guān)系，其特征在于能夠?qū)⒐烙?jì)的人手的肌肉剛度與控制器的剛度參數(shù)映射為相似趨勢的值。

3.按照權(quán)利要求1中第一步中所述的肌肉激活函數(shù)，其特征在于能夠表示肌電信號與肌肉激活程度之間的關(guān)系，包括比例函數(shù)，指數(shù)函數(shù)，多項(xiàng)式函數(shù)。

技術(shù)總結(jié)
一種基于肌電解碼抓握力和剛度的柔順抓握控制方法，針對傳統(tǒng)的假肢手只考慮了抓握力，假肢手都以固定死板的運(yùn)動(dòng)方式使假肢手施加抓握力，容易對物體造成損壞的問題。本發(fā)明通過采用生物學(xué)肌肉模型來對人手的抓握力進(jìn)行估計(jì)，同時(shí)結(jié)合肌肉的收縮特征對人手的肌肉剛度進(jìn)行估計(jì)，根據(jù)人手抓握物體時(shí)的特征建立起人手的肌肉剛度與假肢手控制器剛度參數(shù)之間的映關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了假肢手對不同物體的柔順抓握控制。該發(fā)明不僅能獲得人手抓握力還能夠進(jìn)一步的得到人手抓握物體時(shí)的肌肉剛度，并按照期望的抓握力和抓握剛度抓握物體，相比傳動(dòng)方法能提供與原始肢體更加相似的自然控制感，改善假肢手的使用體驗(yàn)。

技術(shù)研發(fā)人員：鄧華,徐曉磊,張翼
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中南大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9