專利名稱：用肌肉電控制假肢的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用肌肉電比例控制一個電機操縱的假肢，特別是假手的方法，其中，測量當時出現(xiàn)的電極信號的電壓并把該電壓輸往一個控制裝置。
DE 1808934 B2公開了一種用于比例控制的、電機操縱的假肢，特別是假手的肌肉電控制電路，其中，假肢的驅動電機在假肢動作時間脈動地接在電源上。一個與肌肉電壓成比例的直流電壓與一個恒定脈沖高度的和脈沖重復頻率的鋸齒形電壓疊加。該總電壓的超過恒定閥值的部分使驅動電機接通電源。
DE 2236969 B2公開了一種用于一個肌肉電的、脈沖寬度調制的控制電路的電機制動電路，該控制電路用于控制一個比例控制的、電機操縱的假肢，特別是假手，肌肉電壓在其中得到放大、整流、積分并與一個恒定脈沖重復頻率和脈沖高度的鋸齒形脈沖電壓疊加。該疊加電壓被加到一個矩形脈沖發(fā)生器的輸入端上，以便根據接收了的肌肉電壓的幅度控制矩形發(fā)生器脈沖的工作比。矩形發(fā)生器脈沖被用來控制開關單元，通過開關單元使驅動電機脈動地接在電源上。脈沖寬度調制了的矩形發(fā)生器脈沖經過一個放大器被輸往一個積分電路。該積分電路的輸出電壓與矩形發(fā)生器脈沖的工作比的平均值成比例。矩形發(fā)生器脈沖在一個隨后的微分電路中被微分并控制開關單元的另一個開關，該開關脈動地短接驅動電機的電框繞組。該另一開關僅根據具有一個相應的閥值的極性的信號進行開關并可由一個加偏壓的晶體管構成。
DE 2554885 A公開了一種用于脈沖寬度調制的、比例控制的、電機操縱的假肢，特別是假手的、肌肉電的控制電路，肌肉電壓在其中被放大、整流并與一個恒定頻率的鋸齒形電壓疊加?？傠妷罕患拥揭粋€大致為施密特觸發(fā)器結構的脈沖發(fā)生器的輸入端上，以便根據接收了的肌肉電壓的幅度變動發(fā)生器脈沖的工作比。發(fā)生器脈沖被用來控制開關單元，通過開關單元使驅動電機脈動地接在電源上。在該電路中，一個與驅動電機的電流成比例的電壓可被輸往脈沖發(fā)生器的輸入端和/或一個與電機電壓成比例的電壓作為偏壓可被輸往脈沖發(fā)生器。在開關單元和電機之間串接一個測量用電阻，該電阻的兩個端子接在一個差分放大器的輸入端上。該差分放大器的輸出端與脈沖發(fā)生器的輸入端相連。
因此，用于機電假手的、與EMG(肌電圖)信號成準比例的抓力及速度控制裝置業(yè)已公開。在使用直流電機的情況下，最通常的用于進行轉速調節(jié)的方法是脈沖寬度調制法(PWM)。在該方法中，周期性的直流電壓被輸往電機，周期性直流電壓的頻率絕大部分處于聽覺范圍之上，其范圍為18至40千赫。根據EMG信號的大小把等效長的電壓脈沖輸往電機，該電壓脈沖通過電機電框的機械慣量被積分成一個等效的電壓平均值。其中還曾建議，在鍵控脈沖間隔時間內使電機短接，以便取得更好的轉速調節(jié)。但整個系統(tǒng)的電耗因此而有所增加。
用現(xiàn)有的控制系統(tǒng)在開啟和閉合方向內以及在力的建立中進行實際上令人滿意的控制是不可能的，其原因在于，一方面，通過內手和塑料包封從外起作用的彈性力矩使線性速度調節(jié)難以進行，另一方面，在納入一個自動變速器的情況下也不能對抓力的建立進行最佳地調節(jié)。
本發(fā)明的任務在于，就上述存在的問題改進本說明書開始所述的方法。
按照本發(fā)明，為了進行比例速度調節(jié)，解決以上任務的技術方案在于如下特征進行比例速度調節(jié)，從不同的、涉及驅動電機的、分別通過一個確定的電極電壓限定的轉速額定值中得出配屬于當時被測出的電極電壓的轉速額定值，該轉速額定值與被測出的電機實際轉速比較并作為調差被輸往一個比例積分調節(jié)器(PI調節(jié)器)；在PI調節(jié)器中，調節(jié)誤差按照調整了的參數被轉換成一個脈沖寬度調制信號(PWM信號)并用以控制驅動電機，據此，驅動電機得到一個與電極的實際電壓成比例的轉速；測量驅動電機的當時實際電流值，并使其與一個給定的電流最大值比較，在超過該給定的電流最大值的情況下，PI調節(jié)器被斷路。
按照本發(fā)明，為了進行比例抓力調節(jié)，解決以上任務的技術方案在于如下特征進行比例抓力調節(jié)，抓力的建立是逐步進行的，最大的抓力分為等級，其中，實際的電極電壓相當于一個確定的級數；一個確定的脈沖寬度調節(jié)值(PWM值)和一個附屬于此的斷電值配屬于每個等級；由計數器讀數0一直數到由實際的電極電壓給定的級數，被計數器當時選定的PWM值連同與PWM值等效的斷電值被輸出；與此同時，驅動電機的電流被測量并與當時輸出的斷電值比較；當達到該斷電值時，計數器的讀數增加1，并且下一個PWM值被輸出；當時計數器達到通過電極實際電壓給定的級數時，就達到了給定的抓力，驅動電機被斷路；驅動電機的當時的實際電流值被測量并與一個給定的電流最大值比較，當超過該電流最大值時，驅動電機同樣被斷路。
據此，按照本發(fā)明，既能夠進行與EMG信號成比例的速度調節(jié)，又能夠進行抓力調節(jié)。
按照本發(fā)明，把兩種調節(jié)匯總在一個系統(tǒng)內是有利的，該系統(tǒng)的工作方式如下兩個電極信號被測量、平均并被輸往一個聯(lián)鎖機構，該聯(lián)鎖機構對信號與內部調好的開關閥值進行比較并釋放相應的電機方向。一個其開關點位于一個自動變速器的轉換點之上的機械式抓力開關把系統(tǒng)分成兩個調節(jié)回路。如果沒有達到開關點，則系統(tǒng)以比例速度調節(jié)方式工作。當超越開關點時，被轉換到比例抓力調節(jié)。
發(fā)明的其它特征是從屬權利要求的主題并借助實施例結合發(fā)明的其他優(yōu)點加以詳細說明。
在附圖中示出了發(fā)明的幾個實施例，附圖示出的是

圖1是一個本發(fā)明的、具有比例速度調節(jié)裝置和比例抓力調節(jié)裝置的系統(tǒng)的工作原理的程序框圖，圖2是進行比例速度調節(jié)作業(yè)的調節(jié)回路，圖3是進行比例抓力調節(jié)作業(yè)的調節(jié)回路，圖4是一個生成PWM的定時器中斷程序。
按照圖1，兩個電極信號被測量、平均并被輸往一個聯(lián)鎖裝置，該聯(lián)鎖裝置對信號與在內部調好的開關閥值進行比較并釋放相應的電機方向。一個其開關點位于一自動變速器的轉換點之上的機械式抓力開關把系統(tǒng)分成兩個調節(jié)回路。如果沒有達到開關點，則系統(tǒng)以比例速度調節(jié)方式工作(圖2)；當超越開關點時，則轉換到比例抓力調節(jié)(圖3)。
在進行比例速度調節(jié)的情況下，抓力開關被斷開；按照圖1，借助一個表，優(yōu)選的電極電壓被轉換為一個轉速額定值。相應的表值是隨后的比例積分調節(jié)器(PI調節(jié)器)用的額定值(額定轉速)。通過表變換的這一方式能夠進行與一個確定的電極信號-轉速特性的匹配(比例性)。此間用一個表計值具有很大優(yōu)點，即通過表值的轉換可簡單地消隱輸入信號的小的干擾并可同時產生獨有的特性。
現(xiàn)在形成的額定值與電機的被測出的實際轉速比較并作為調差被輸往一個PI調節(jié)器。電機轉速在PWM空位中作為反饋的發(fā)生器電壓被測量。在PI調節(jié)器中，調節(jié)誤差按照調整了的參數被轉換成一個PWM信號并用以控制電機電橋。
調節(jié)回路據此閉合。電機現(xiàn)在以一個與實際的電極電壓成比例的轉速轉動。
測出的電機實際電流值在一個疊加的控制回路中與一個電流最大值比較。當超過該電流最大值時(手沿張開的方向伸展直至碰到擋塊為止)，PI調節(jié)器和電機電橋被斷路。
如果通過超過調好的抓力而使抓力開關動作，則實現(xiàn)向比例抓力調節(jié)的轉換。抓力的建立是逐步完成的，其中，最大的抓力是分級的。實際的電極電壓相當于一個確定的級數。一個程序內部的計數器開始數兩個表(PWM值和附屬于此的斷電值)，由計數器讀數0讀至由實際的電極電壓給定的級數。由計數器選擇的PWM值被輸出。與此同時，電機的電流被測量并與與PNM值等效的斷電值比較。當達到該斷電值時，計數器增加1并且下一個PWM值被輸出。
連續(xù)輸出增大的PWM值和斷電值相當于成比例地建立抓力。
如果計數器達到由電極給定的級數，則達到了給定的抓力；電機被斷路。電極電壓的幅度被存儲并被定為或許再次手抓的開關閥值。為此，必須相應增強肌肉的張緊程度，以便超過這一開關閥值。
為了能快速取得最大抓力，計數器讀數在給定的開關閥值被電極電壓超過時不被置到零，而是被置到一個較高的表值。據此，可在最短時間內達到最大抓力并且電機被斷路。
如果在建立手的抓力時，一個在內部調好的最大電流值被實際的電機電流值所超過，則電機同樣被斷路。
下面對圖2至4做具體說明對于圖2·兩個通過肌肉活動產生的電信號(肌肉信號)經過趨膚電極被接收、放大、濾波、整流并作為信號E1和E2到達電路。
·經AD1和AD2進行模擬數字變換(8位)。
·值經過平均值形成器(平均)到達一個鎖定機構(鎖)。
·平均任務只通過被累加值的半數除，形成平均值并擴大范圍。
執(zhí)行128測量值/64＝數字值·鎖任務選擇活性的信號，鎖住非活性的信號。
執(zhí)行靜止如果A和B均不是活性的，則等待，直至兩個之中的一個超過接通閥值為止。為了兩個方向手張開/手閉合的接通閥值是不同的手張開存在一個固定給定的接通閥值μ接通-張開。
手閉合存在一個可變的接通閥值μ接通-閉合，其值可受到與電流(力)成比例的工作方式的影響。
活性如果兩個信號之一超過了接通閥值，則該信號作為活性的信號，直至該信號落入固定給定的斷開閥值μ斷開之中并再次出現(xiàn)“靜止”狀態(tài)。在“活性”時間內，非活性的信號被截止。
·如果A和B均不是活性的(“靜止”狀態(tài))則定時器中斷(TIR)經過分支“?！北唤刂?TIR被鎖往)，這意味著，PWM的生成受到阻止。
·如果兩個信號之一是活性的，則信號值被用做一個表(V表)的指針，該表包含一個相對于每個信號值的電機額定轉速值。
·該額定轉速作為向PI調節(jié)器的輸入參數。
·PI調節(jié)器·由經過AD3轉換了的電機實際轉速和額定轉速形成差值(e)。
比例部分P e*V(V＝比例放大)積分部分I (f＝增益系數)輸出值K K是一個數字值，該數字值相當于PWM生成時的一個確定的工作比。
·PWM限止
系統(tǒng)限定，調節(jié)器輸出端(K值)向上和向下受到限止，以便保障調節(jié)的完美無缺的功能。
·TIR未被鎖住A或B是活性的并且PWM工作比值被形成(K)。TIR現(xiàn)在就可被釋放(TIR未被鎖住)。
·電機電流電機電流經AD4被模擬/數字轉換并在平均中被濾波到I/4。
對電機電流進行持續(xù)檢查，看是否達到系統(tǒng)限定的電流常數I最大。如果該電流最大值被電機電流超過，則TIR被截止(TIR被鎖住)。
對于圖3轉換到這種工作方式是通過一個開關(抓力開關)進行的，通過其結構，該開關自某一力閥起通知取數(S＝1)。
在這種狀態(tài)下的程序應建立電極信號和抓力之間的一種比例性。
·B值由于力的建立只在手閉合時進行，所以信號B(手閉合)被作為整個程序的基準。
·對各個開始點和時間值的說明0......抓力開關接通(S＝1)1......60毫秒間隔(固定)2......來自PWM表的第一個值被取得并在100毫秒內被輸出3.1......電流I實際被測量并與I額定(來自I額定表)比較a)I實際＞I額定TIR被截止b)I實際＜I額定在以后的最多100毫秒內測量I實際。如果在這段時間內沒有出現(xiàn)a)所描述的情況，則在這100毫秒后TIR被截止3.2......在與I額定無關的情況下，I實際與I最大比較。如果超過I最大，則TIR被斷路(TIR被鎖住)，以便防止“繼續(xù)打氣”。該狀態(tài)只有通過信號A(手張開)的活化得到解鎖。
4......表指針被增量(兩個表中的值的編號由0至18)。如果表指針和B指到同一表中編號，則達到了所要求的抓力并且TIR可被截止。如果尚達不到該狀態(tài)，則在1......處繼續(xù)。如果達到了該狀態(tài)，則B被存儲并用作鎖處的新的接通閥值。據此，手保持在該(抓持)狀態(tài)中并且只有通過信號A(手張開)的活化，用以減少抓力或用一個比先前存儲的B值更高的B值(新的接通閥值)使信號B(手閉合)活化，用以增加抓力才能脫離這一位置。
如果通過猛烈的肌肉收縮(相當于想快而大力的抓)給出超過1.2伏的電極信號B(相當于一個＞18的表中編號)，則表指針不是斜面式地升高到相應的值，而是馬上置到表中編號13，但其條件在于，表指針在信號B的活化時間點處于表中編號13之下。
對于圖4如果釋放TIR所需的條件得到滿足，則該8位定時器在由255到0的過渡中觸發(fā)一個中斷，然后跳入為生成PWM服務的定時器中斷程序。·Reg.save[1]由于主程序在一個不可限定的位置(只與定時器走完有關)被中斷，所以處于工作中的值必須被存儲?！ねǖ肋x擇/轉換[2]檢查出兩個信號A或B中哪一個是活性的，以便確定電機的實際方向。然后對到屬時被輸出的電機信號進行轉換?！接通/t斷路[3]檢查在形成PWM時是處于“電機接通”狀態(tài)還是處于“電機斷電”狀態(tài)。相應地由K算出接通時間(t接通)值或斷電時間t斷電值?！-＞定時器[4]在[3]中算出的時間值被裝入定時器內并且該定時器起動，這得出實際的工作比?！eg.recall[5]開始被存儲的值被再次活化并且主程序得到繼續(xù)。
權利要求
1.用肌肉電比例控制一個電機操縱的假肢，特別是假手的方法，其中，測量當時出現(xiàn)的電極信號的電壓并將其輸往一個控制裝置，其特征在于，a)進行比例速度調節(jié)，從不同的、涉及驅動電機的、分別通過一個確定的電極電壓限定的轉速額定值中得出配屬于當時被測出的電極電壓的轉速額定值，b)該轉速額定值與被測出的電機實際轉速比較并作為調差被輸往一個比例積分調節(jié)器(PI調節(jié)器)，c)在PI調節(jié)器中，調節(jié)誤差按照調整了的參數被轉換成一個脈沖寬度調制信號(PWM信號)并用以控制驅動電機，據此，驅動電機得到一個與電極的實際電壓成比例的轉速，d)測量驅動電機的當時的實際電流值并使其與一個給定的電流最大值比較，在超過該給定的電流最大值的情況下，PI調節(jié)器被斷路。
2.用肌肉電比例控制一個電機操縱的假肢，特別是假手的方法，其中，當時出現(xiàn)的電極信號的電壓被測量并輸往一個控制裝置，其特征在于，a)進行比例抓力調節(jié)，抓力的建立是逐步進行的，b)最大的抓力分為等級，其中，實際的電極電壓相當于一個確定的級數，c)一個確定的脈沖寬度調制值(PWM值)和一個附屬于此的斷電值配屬于每個等級，d)由計數器讀數0一直數到由實際的電極電壓給定的級數，被計數器當時選定的PWM值連同與PWM值等效的斷電值被輸出，e)與此同時，驅動電機的電流被測量并與當時輸出的斷電值比較，f)當達到該斷電值時，計算器將增加1，下一個PWM值被輸出。g)當計數器達到由電極實際電壓給定的級數時，就達到了給定的抓力，驅動電機被斷路，h)驅動電機的當時實際電流值被測量并與一個給定的電流最大值比較，當超過該電流最大值時，驅動電機同樣被斷路。
3.按照權利要求2所述的方法，其特征在于，在達到給定的抓力時，電極實際電壓的幅度被存儲并被定為或許再次手抓的開關閥值。
4.按照權利要求2或3所述的方法，其特征在于，為了能快速取得最大抓力，計數器讀數在給定的開關閥值被電極電壓超過時不是被置到零，而是被置到一個較高的表值。
5.按照以上權利要求之一項所述的方法，其特征在于，兩個電極信號被測量、平均并被輸往一個聯(lián)鎖裝置，在該聯(lián)鎖裝置中，電極信號與在內部調好的開關閥值進行比較并且相應的電機方向被釋放。
6.按照權利要求1和2以及權利要求3至5之一所述的方法，其特征在于，測出的和或許被鎖住的電極信號被輸往一個控制電路，并且一個抓力開關把控制方法分為比例速度調節(jié)和比例抓力調節(jié)，如果電極信號沒有達到一個位于一個自動變速器的轉換點之上的開關點，則該方法以比例速度調節(jié)方式工作，但在超過開關點時，該方法以比例抓力調節(jié)方式工作。
全文摘要
為了對一個電機操縱的假肢，特別是假手進行肌肉電的比例控制，其中，當時的電極信號被測量并輸往一個控制裝置，或者是進行比例速度調節(jié)，或者是進行比例抓力調節(jié)。在進行比例速度調節(jié)時得出配屬于當時被測出的電極電壓的轉速額定值。在比例抓力調節(jié)中，抓力的建立是逐步進行的；最大的抓力分為等級，其中，實際的電極電壓相當于一個確定的級數；一個確定的脈沖寬度調制值(PWM值)和一個附屬于此的斷電值配屬于每個等級。
文檔編號A61F2/72GK1117839SQ95105468
公開日1996年3月6日 申請日期1995年5月9日 優(yōu)先權日1994年5月10日
發(fā)明者彼得·格拉默, 卡爾·蘇茲, 雅諾什·卡爾馬 申請人:奧托·伯克矯形工業(yè)所有與管理兩合公司