一种肘-手协同控制方法

1.本发明属于上肢康复技术领域，具体涉及一种肘-手协同控制方法。


背景技术：

2.脑卒中病人，若长期没有得到康复训练，患者的肌肉会萎缩并最终失去肢体运动能力。经过实验研究与临床治疗验证，功能性电刺激治疗能有效地提高患者的运动表现。在肢体运动功能中，上肢功能包括取物、抓物和操作物体，负担着进食、穿衣、洗漱等基本生活技能。上肢运动功能的重建是肢体功能障碍患者实现生活自理的关键，肘部和手部关节的康复对整个上肢运动功能的康复是至关重要的。目前常见的训练系统大多是仅针对手部康复训练，但是手部只是上肢的一部分，仅涉及手部的训练是没有办法满足脑卒中患者的一些基本生活运动需求的。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种肘-手协同控制方法，用以解决现有技术中仅涉及手部的训练是无法满足患者的一些基本生活运动需求的问题。
4.为解决上述技术问题，本发明提供了一种肘-手协同控制方法，获取受试者当前关节弯曲角度，包括受试者的肘部运动角度、腕部运动角度和手指关节角度，并计算与设置的期望位置对应的期望关节弯曲角度的差值，所述差值经过控制器进行调节控制得到相应的电刺激量，根据得到的电刺激量对受试者的上臂和小臂中需要施加电刺激的部位施加电刺激，使受到电刺激的肌肉带动相关关节动作以改变受试者的关节弯曲角度，从而使受试者在要求的时间内跟踪上期望关节弯曲角度。
5.上述技术方案的有益效果为：本发明在现有技术中常见的仅有手部康复训练的基础上，增加了肘部协同，对受试者的上臂和小臂(需说明的是，控制手指运动的肌肉在小臂的前臂上)中需要施加电刺激的部位施加电刺激，使得受试者的肘部运动角度、腕部运动角度和手指关节角度根据期望关节弯曲角度，将训练范围扩大，可用于脑卒中后肘部和手部的康复训练，完成基本日常动作，满足患者更多的日常基本运动功能需求，对于帮助肢体功能障碍患者的上肢运动功能康复具有重要意义。
6.进一步地，所述控制器为迭代学习控制器。
7.上述技术方案的有益效果为：在控制策略上采用迭代学习的功能性电刺激系统控制方法，实现了肘部和手部关节运动的精确控制。
8.进一步地，所述迭代学习控制器为ilc算法控制器。
9.上述技术方案的有益效果为：迭代学习中的ilc跟踪精度较高，保证使受试者在有限的时间内有效跟踪上期望轨迹。
10.进一步地，通过在肘部、腕部和手指上布置的弯曲传感器分别采集肘部运动角度、腕部运动角度和手指关节角度。
11.进一步地，通过在受试者肱二头肌上下两端施加电极片以对受试者的上臂施加电
刺激。
12.进一步地，若为抓物操作，受试者需要施加电刺激的部位包括肱二头肌、腕屈肌和前臂肌肉，则施加顺序为先前臂肌肉、再腕屈肌、接着肱二头肌。
13.上述技术方案的有益效果为：根据肘部和手部关节不同的运动特点，采用“先整体，后分而治之”的策略，该策略的含义为肘部腕部手部作为一个整体通过功能性电刺激的作用完成具体的功能性运动，但肘部腕部和手部的运动数据均单独采集，对期望的运动轨迹独立跟踪，该策略可以保证上肢的日常基本运动功能的实现。
14.进一步地，还需对受试者所能承受的最大电压进行测试，使得每次对受试者施加的电刺激量对应的电压不超过所述最大电压。
15.上述技术方案的有益效果为：基于受试者所能承受的最大电压对受试者施加电刺激量，可以保证受试者的安全。
附图说明
16.图1是实现本发明的一种肘-手协同控制方法的硬件系统连接示意图；
17.图2是本发明的肘关节实验坐标图；
18.图3是本发明的肘-手关节运动图；
19.图4是本发明的刺激器和传感器在上肢关节位置的示意图；
20.图5是本发明的肘-手协同迭代学习控制方法的控制框图。
具体实施方式
21.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
22.实现本发明的一种肘-手协同控制方法的硬件系统是一种可穿戴的肘部和手部康复训练装置，用于实现人体手部和肘部的康复训练，包括手套体、肘部感知和控制系统、电刺激系统、上位机控制系统四大部分，其整体原理图如图1所示，下面对各部分进行详细介绍。
23.1)手套体主要采用了弯曲传感器和惯性传感器采集手势数据，并通过单片机系统进行数据处理和发送，包括手套本体、传感器、电路板和电极等部件。弯曲传感器贴于手套的各个手指表面，用于检测手指弯曲程度，本实施例中使用具有八自由度数据手套，八自由度指有8个弯曲传感器根据需要布置在手指上，大拇指、食指、中指、无名指和小指根据运动量的大小布置传感器。手腕处设有电路板，电路板上主要集成了用于连接弯曲传感器的接口、单片机、复位键、晶振电路、电源指示灯、蓝牙接口、分压电路、降压电路和惯性传感器等，其中，单片机可选用arduino，用于采集和处理数据，可对设备来自手部关节运动角度数据进行采集，处理后通过串口将数据发送到上位机控制系统。
24.2)肘部感知和控制系统是使用2通道电极刺激实现肘关节的屈伸控制，肘关节在刺激电流与重力作用下将做屈曲和伸展运动，肘关节运动时会产生关节角度，采用柔性弯曲传感器测量肘关节运动产生的角度数据。具体可搭建如图2所示实验平台进行电刺激实验。功能性电刺激仪器输出的正负极电极片a和b被贴放于肱二头肌上下两端，弯曲型角度传感器被放置于肘关节处。以肘关节为轴心建立直角坐标系，前臂自然下垂时为y轴负方
向，定x轴负方向为起始0
°
，y轴正方向为90
°
，依次逆时针旋转x轴正方向为180
°
。肘关节在刺激电流与重力作用下在矢状面作屈和伸运动，记录刺激电压控制信号与肘关节弯曲角度数据，同样发送到上位机控制系统。
25.3)电刺激系统包括电刺激器和电极片。电刺激器上一共有20个电极通道，其中有16个连接16个电极片，该16个电极片以电极阵列的形式粘附在小臂肌肉上，用于刺激前臂肌肉使手部运动。另外四个通道分别连接四个电极片，用于实现肘部和腕部的电刺激，具体可在上臂肱二头肌处和小臂腕屈肌处分别贴有两个电极片，使肘部和腕部会产生相应的屈肘和屈腕动作。刺激器和传感器在上肢关节位置的示意图如图4所示。
26.4)上位机控制系统中设置有上位机控制软件，软件中运行有控制算法，可以根据实采数据和期望目标计算控制量，并下发至电刺激器。具体地，本实施例中上位机软件由matlab/simulink实现构成，在接收到弯曲传感器所采集的数据后，反馈至控制器中进行控制器的模式选择，控制器结合控制算法，根据手部数据和期望目标计算控制量，并将控制量发送到电刺激器，电刺激器接收控制指令(需说明的是，控制指令对应的电压不能够超过受试者所能承受的最大电压)，根据控制指令对电极阵列组合进行选择，不同的电极阵列会刺激不同部位的小臂肌肉和上臂肌肉，受到电刺激的肌肉会完成相应的动作，进而完成整个控制系统的运行。
27.下面对上位机控制软件中运行的肘-手协同控制方展开介绍。
28.设置θf＝0
°
为肘部运动初始位置，肘部在桌平面运动，运动范围为0
°
:90
°
，并选择日常触摸、推压、击打、勾拉、抓握等基本动作，采集完成上述动作所需要的肘-手协同运动轨迹，建立不同操作位置所需要的期望协同轨迹；基于迭代学习控制的肘-手协调控制方法，根据手套和弯曲传感器的反馈信号，实现肘-手闭环协同控制，使用迭代学习算法实现期望轨迹的精确跟踪控制，在上位机matlab/simulink控制模块中实现上述算法，肘-手关节运动图如图3所示。其中，将手指关节运动定义为：
29.y
fi
＝yf(θ
i1
,θ
i2
,θ
i3
)
30.式中，i＝1,2,3,4,5表示手指；yf表示手指的关节角度状态；θ
i1
,θ
i2
,θ
i3
表示每根手指的弯曲角度。腕部运动定义为：
31.yw＝yw(θw)
32.肘部运动定义为：
33.ye＝ye(θf)
34.式中，θf表示肘部运动角度变化。肘-手康复系统的输出可表示为：
35.y＝[y
fi
,yw,ye]
[0036]
上位机控制系统发出控制指令，导致肘部和手部运动，产生角度变化，该系统简化为以下输入输出系统：
[0037]
θj(k)＝g(q)uj(k)+d(k)
[0038]
式中，j∈z+，k∈[0,t]分别表示迭代指标和时间步长；q是前移算子；g(q)表示系统的动力学；d(k)表示重复每次迭代的外部信号；uj(k)表示控制输入，系统的输出为关节的弯曲角度，用θj(k)表示，包括肘部运动角度、腕部运动角度和手指关节角度三个角度，分别为y
fi
,yw,ye。
[0039]
对于该模型，需要设计一个迭代学习控制器来跟踪所需的参考轨迹。整个控制系
统框图如图5所示，图中θd(k)为参考轨迹。在控制器设计中，采用精度更高的高阶ilc算法为：
[0040]uj+1
(k)＝uj(k)+k
h,p1ej
(k+1)+k
h,p1ej-1
(k+1)
[0041]
式中，ej(k)＝θd(k)-θj(k)；k
h,p1
和k
h,p2
分别表示第j次迭代和第j-1次迭代的比例参数。
[0042]
即，实现本发明的一种肘-手协同控制方法的整体控制流程为：获取受试者当前关节弯曲角度，包括受试者的肘部运动角度、腕部运动角度和手指关节角度，并计算与设置的期望位置对应的期望关节弯曲角度的差值，该差值经过迭代学习控制器进行调节控制得到相应的电刺激量，根据得到的电刺激量对受试者的上臂和小臂中需要施加电刺激的部位施加电刺激，使受到电刺激的肌肉带动相关关节动作以改变受试者的关节弯曲角度，从而使受试者在要求的时间内跟踪上期望关节弯曲角度。
[0043]
下面进行实验以对整个方案进行进一步的详细介绍。
[0044]
根据肘部和手部关节不同的运动特点，采用“先整体，后分而治之”的策略(该策略的含义为肘部腕部手部作为一个整体通过功能性电刺激的作用完成具体的功能性运动，但肘部腕部和手部的运动数据均单独采集，对期望的运动轨迹独立跟踪)，通过一系列基本动作实现上肢的某些日常基本功能运动。以抓物为例，通过设置期望位置，利用功能性电刺激，首先通过电极阵列对前臂肌肉进行功能性电刺激，使手指弯曲抓握物体，然后刺激腕屈肌肉，使手腕做内收动作，最后刺激肱二头肌，使肘部弯曲抬起，进而达到抓物的效果，完成肘-手协同的功能性动作。具体的实验方案如下：
[0045]
1)使受试者坐在实验椅上，小臂放在实验桌上，保持完全自由放松状态。将手套体、多通道电极阵列分别穿戴至试验者手部和小臂外侧肌肉群部位，同时在肱二头肌前端和末端分别放置电极片，用于刺激肘部运动。
[0046]
2)在上位机端对肘部和手部静态初始状态进行初始化，记录肘-手关节的静态初始位置关节角度数据，设置期望位置关节角度数据。
[0047]
3)对受试者所能承受的最大电压进行测试，确定受试者所能承受的最大刺激电压。根据测试结果，生成相应的三角波电刺激量，依次轮流给小臂上多通道电极阵列和肱二头肌前后端两个电极片施加电刺激，受到电刺激的肌肉带动相关关节做出期望的动作和运动，产生实际运动轨迹数据。
[0048]
4)通过迭代学习控制，反复利用实际轨迹与期望轨迹之间的输入电刺激控制信号和输出误差信息来更新下次的输入电刺激控制大小，从而使受试者在有限的时间内跟踪上期望轨迹。
[0049]
综上，本发明在现有技术中常见的仅有手部康复的训练的系统的基础上，增加了肘部协同，同时将小臂上的多通道电极阵列与肘部和腕部电极对组合，将训练范围进一步扩大，可满足患者更多的日常基本运动功能需求，满足脑卒中患者基本生活运动需求。同时在控制策略上采用迭代学习的功能性电刺激系统控制方法，实现了肘部和手部关节运动的精确控制。

技术特征：
1.一种肘-手协同控制方法，其特征在于，获取受试者当前关节弯曲角度，包括受试者的肘部运动角度、腕部运动角度和手指关节角度，并计算与设置的期望位置对应的期望关节弯曲角度的差值，所述差值经过控制器进行调节控制得到相应的电刺激量，根据得到的电刺激量对受试者的上臂和小臂中需要施加电刺激的部位施加电刺激，使受到电刺激的肌肉带动相关关节动作以改变受试者的关节弯曲角度，从而使受试者在要求的时间内跟踪上期望关节弯曲角度。2.根据权利要求1所述的肘-手协同控制方法，其特征在于，所述控制器为迭代学习控制器。3.根据权利要求2所述的肘-手协同控制方法，其特征在于，所述迭代学习控制器为ilc算法控制器。4.根据权利要求1所述的肘-手协同控制方法，其特征在于，通过在肘部、腕部和手指上布置的弯曲传感器分别采集肘部运动角度、腕部运动角度和手指关节角度。5.根据权利要求1所述的肘-手协同控制方法，其特征在于，通过在受试者肱二头肌上下两端施加电极片以对受试者的上臂施加电刺激。6.根据权利要求1所述的肘-手协同控制方法，其特征在于，若为抓物操作，受试者需要施加电刺激的部位包括肱二头肌、腕屈肌和前臂肌肉，则施加顺序为先前臂肌肉、再腕屈肌、接着肱二头肌。7.根据权利要求1～6任一项所述的肘-手协同控制方法，其特征在于，还需对受试者所能承受的最大电压进行测试，使得每次对受试者施加的电刺激量对应的电压不超过所述最大电压。

技术总结
本发明属于上肢康复技术领域，具体涉及一种肘-手协同控制方法。该方法首先获取受试者当前关节弯曲角度，包括受试者的肘部运动角度、腕部运动角度和手指关节角度，并计算与设置的期望关节弯曲角度的差值，根据所述差值经过控制器进行调节控制得到相应的电刺激量，根据得到的电刺激量对受试者的上臂和小臂中需要施加电刺激的部位施加电刺激，从而使受试者在要求的时间内跟踪上期望关节弯曲角度。本发明在现有技术中常见的仅有手部康复训练的基础上，增加了肘部协同，对受试者的上臂和小臂中需要施加电刺激的部位施加电刺激，将训练范围扩大，可用于脑卒中后肘部和手部的康复训练，满足患者更多的日常基本运动功能需求。满足患者更多的日常基本运动功能需求。满足患者更多的日常基本运动功能需求。


技术研发人员：霍本岩 吴金明 刘艳红 杨磊 吴振龙 李方圆
受保护的技术使用者：郑州大学
技术研发日：2023.07.12
技术公布日：2023/10/19