论文研究-假肢电触觉控制系统的研制与开发 .pdf

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假肢电触觉控制系统的研制与开发,王旭,帅立国,针对假肢控制系统中的缺陷,本文设计研制了一种基于电触觉技术的假肢反馈系统。通过建立电触觉模型,理论数值分析,探讨电刺激机
山国利技论文在线 http://www.paper.edu.cn 激信号,具有极大的灵活性。压力传感器布置在机械手不同位置,通过对不同接触点压力数 值计算,给出当抓取力等级。控制器控制各手指运动,亢成抓取操作,同时接收传感器数据, 处珥数据控制电刺激器产生对应强度等级刺激电流,完成反馈。 2电刺激基本原理 65 神经系统与触觉感受器 触觉感受器接受外界刺激是人体感知触觉感觉的第步,蝕觉小体细胞去极化后,刺激 信号转变为电信号,形成神经冲动,在神经纤维上传递,至大脑皮层,形成触觉感觉。触觉 感受器主要由三类组成, Merkel、 Meissner与 Pacinian触觉小体,感受压力、振动、加速 度不冋感觉,相互组合成丰富的触觉感觉,其感受特性、位置分布对比如表1所小。 70 表1触觉小体感受特性、位置分冇对比 Tab. I Comparison of tactile corpuscle sensory characteristics and location distribution 类型 Merkel Meissner Pa sinian 位置分布 浅 相对皮肤方向 水平 垂直 水平 平均感受面积 llmm 101mm 感受频率 0.3-3Hz 10-60H 50-1000Hz 最敏感频率 40/z 200-250/ 感知形式 压力 振动 加速度 皮肤下深度 2mm 0.7mm 0.9mm 22电刺激传导建模 刺激电流信号在各触觉小体间传递,本节对信号在细胞间传递过稈进行建模量化分析, 75 参考 FRANK PATTAY提出的细胞纤维刺激模型,修正原有模型缺乏对时间维度的参数 估 如图2,神经元细胞膜将细胞与细胞外液分离,细胞膜静息电位V,膜外电压V,膜内 电压V,膜上径向电阻Gn,径向等效电容Cm如图3所示,刺激作用点O,考虑截取与神经 纤维共血的空间半面,以神经纤维传导方向为X轴,垂直皮肤方向为Z轴,构建X-Z坐标系。 神经跳跃传导学说中,神经元在末端每隔数亳米出现没有髓鞘的部分,称为兰氏结,假设兰 民结长度L,结间电阻Ga 现将多个神经元细胞按照神经冲动传导方向建立等效电路图,并依次用n-1、n、n 1编号,如图4所示,根据节点定理得到: dov dt +lin t gavin -vin-1+ Galvin -vin1=0(1) 85 Vn vin -ven t vr 其中,Ln为流经膜内部编号为n的神经纤维内离子电流大小。整合上两式得 山国利技论文在线 http://www.paper.edu.cn dt=c[ga(vn-1-2V+Vn+i -2ve, n+ve, +1)-Iinl 膜中钠离子、钾离子、漏电流占据离子电流的主导地位,即:ln=lwa+k+L= I DLi 结合Ga=Dx、Cm=mDmn(a、lk、分别为钠离子、钾离子流动电流及内部漏电流 in为离子电流密度、p为膜内单位面积等效电阻),带入可得: 1 DAx Vn-1-2Vn+Vn+1 Ve, n-1-2Ve,+Ve,n+1 Cm L △ 上式表明,细胞膜外部电流,即由刺激电流引起的部分,主要受式子中的第二项影响: fn(t) e,n-14Ve, tre,n+1 它是神经元细胞膜方向外电势沿着轴突方向的二次微商,对于无髓鞘神经而言,上式中 95 可以说明的是L→△X,此时可以化简为下式: fn(x,t)=。V(x,t) r2 (6) fn(x,t)即为激活函数,表示电流对神经纤维细胞膜外刺激关系。根据该式,为了使得静 息的神经纤维坐标Ⅹ处产生动作电势,激励函数必须为正。 最后,如果刺激电流为l,刺激点距离神经纤维的距离为R,以图3给出位置关系,我 100 们知道V(x,t)=le、R=√x2+z2,带入(6)式中,可得: fn(x,z, t) Pele 从此激活函数可以看出,当x=0时,→-z,刺激函数强度随着Z轴深度的增加而减 少,如果我们采用负电流,刺激凼数就为正,所以这就是为什么很多文献中大都采用负电流 对人体进行刺激。实际上,这是由于激活函数的刺激强度与触觉小体方向相关, Meissner 105 触觉小体的方向大都是与皮肤表面正交的[8] 以上推导过程是单电极对人体刺激的结果,当我们运用多个电极,每个电极相距距离为 d,皮肤的电阻率p不变时,其激励函数变为以下形式 (x, z 2(x+ixd) 4兀1=0 式子(8)表明,对于x轴而言,激活函数是神经元细胞膜方向外电势沿着轴突方向的次 110 微商,。V(x,t)。对于z轴而言,由拉普拉斯方程v2V=0,可得: -v 0x2 Ve(x, t) 也就是说,在z轴方向上,激活函数与x轴方向上数值相等,相差·个符号。 现从空间及时间维度思考,表1已知各个感受小体位于皮肤深度的统计值,带入式()(8), 得图5、图6,分别为单电极电流、多电极电流时刺激函数变化情况。分析图像,得出以下 115 几轮:①电刺激感可实现触觉区分,单电极刺激时,电流能对 Merkel触觉小体区分,人体 4 山国利技论文在线 http://www.paper.edu.cn 获得压力感觉;②电刺激可实现空间复现,刺激电极分布距离超过±4mm,激励函数趋近于 0,按照这个距离分布,每个刺激点本身有很好的空间识别能力。③电剌激可实现时间维度 分辨。及当前时刻对下一时刻的刺激传递景响均由传递式决定,与控制无关。 刺激器 膜外部 X 神经纤维膜 神经 膜内部 Z 图2神经元细胞等效电路图 图3皮肤电刺激坐标系 ig. 2 Neuron Cell Equivalent Circuit Diagram Fig 3 Skin electrical stimulation coordinate system 膜外部 神经纤维膜 膜内部 图4神经纤维传导等效模型 Fig4 An Equivalent Model of Nerve Fiber Conduction Merol 0 图5单电极刺激 图6多电极电流刺激 Fig 5 Single-electrode stimulation Fig 6 Multi-electrode current stimulation 3假肢电刺激装置设计 120 31总体设计及参数选定 图7所小,电刺激装置以STM32控制芯片为主控制芯片,主要包括电源模块、升压模 山国利技论文在线 http://www.paper.edu.cn 块与双极性输出电路组成。传统电刺激产品设计中,使用放大电路结合功率补偿办法获得晑 压,本设计采用 Boost升压方式,大幅减小剌激裝置体积。升压所获得的进入H桥,获得极 性相反的另半边波形,再经过压控恒流源转换电路,转化为恒定电流,完成最后刺激输出。 125 电刺激装置设计参数如表2所小。 电源模块 Bost升压电路 STⅥ32控制芯片 双极性控制输出电路 H桥-压控恒流源 OUT 多路D/A转换 图7假肢电刺激装置总休设计 Fig. I General Design of Electric Stimulation Device for Prosthetic Limbs 130 表2假肢电剌激装置参数选定 Tab. I Sclcction of paramctcrs of prosthetic clectrical stimulation dcvicc 类型 参数边界 刺激脉冲频率 1Hz. 500Hz 刺激脉冲脉宽 30mms 刺激脉冲电压水平 30V~90V 剌激脉冲极性 正负脉冲 刺激等级 1~5级,分级刺激 32升压模块 为了满足系统便携性要求,本系统电源模以§锂电池做辶要电能来源。根据参数选 定,刺激脉冲最高电压稳定在90Vε系统需将电池输岀升压获得高电压.采用升压斩波电跻, 135 利用开关导通、关断控制电感储能原理,完成升压过程,升压控制芯片选取MAX668,图8。 当MOS管导通,5V直流电沇过电感L1,电感电流持续增加,能量被电感转化为磁能 储存在电感中,为电感充能阶段。当MOS管断开,由于电感电流保持特性,磁能释放,顺 着二极管方向给68uF电容充电,完成升压过程。 升压控制芯片FB引脚电压VREF=125V,输出电压大小通过分压方式反馈到FB引脚, 140 FB引脚对电压控制起到反馈作用,其上拉电阻取自10K至1M。输出电压Vu为90V,上拉 电阻取10K,此时由分压原理 R,=R2 (10) REF 即想要达到90V,取电里为710K。 6 山国利技论文在线 http://www.paper.edu.cn 33双极性控制输出 145 双极性控制输岀电路由H桥、压控恒流源电路组成,图9、图10。控制PA6、PA7输 岀两路反向PwM波控制H桥,通过4个三极管将连接的输出两端电压反向,以完成正负 刺激脉冲输山。压控恒沇源电路采用大功率MOS管IRF640,运放LM358N作为电压跟随 器,DA模块产生可控电压VDA输入放大器,此时,对于玨桥而言,输出的IOUT,存在以 下关系 150 ot1负载MOSE (11) R为500下拉电阻,由上式可达到输出恒流,利用输入电压Va完成电流的线性控制 sUf huh LDO FDS6630 68uF SYNCSHID PGND REF FREQ G、D 100KQ 10Kn 图890V升压电路 Fig. 8 90V boost circuit LM358N IRF640 图9H桥双极性输出电路 图10恒流源电路 Fig 9 H-bridge bipolar output circuit Fig. 10Constant current source circuit 4力反馈与强度等级判定 41FSR压敏电阻 假肢布置薄片状FSR压敏电阻传感器,完成抓取时外力测定。FSR传感器压力工作电 155 压5V,感应范围1g500g,激活时间小于0.01S。压力传感器布置点位置集合为P= P,P2,P3…,Pn},这里压力传感器位置包拈两类,手掌与手指,手掌位置相对坐标系不发生 改变,手指随着握紧程度,空间位置发生改变,可由舵杌转角θ求得,依次位置为 7 山国利技论文在线 http://www.paper.edu.cn P1,PBa1…},共n个坐标,均可获得 42位姿与受力强度等级 160 在静力抓取平衡状态下,抓取过程达到平衡的条件是各受力点达到力平衡与力矩平衡。 满足下式: Fo=Gc=-Fe 式中,F表示各个作用点施加于对象上的合力,F表示物体受到的所有外力,G为抓取 矩阵,f表小各个接触点对物体的抓持力 165 展开上式,可得: El-1]i cos Bi2/ci-sinlilci +coseisinBi2fci=-Fe Ei1(sin@i cosBi2fci cosBiufi sin@i sin@ifc=-Fe (13) ∑1-1(-sine2+cos6:2/) 式中, singi1=x sL日;2 ,COS日 i1 Xni, cosHi2 int n个点同属丁位置集合P,按照上式即可计算合力F大小。 经测量,FSR初始点坐标位置集合P,由于每个舵机扭矩为1.6KG/cm,带入经计算 170 限可达到1.,21KG左右,将受力强度均划分为5个等级,对应5个等级刺激水平。 5实验设计 为保证系统反馈过稈的稳定性,设计实验验证夲系统电灲激强度识别情况。以本系统电 刺激强度分辨为统一对象,对5个不同刺激水平的识别率研究。如图11示,电刺激器随机 产生50次不同刺溦等级刺澂水平,计算机运用E- prime软件生成实验环境,被试者同位 l75 置每隔3秒受到不同剌激等级电刺激,鼠标在软件中归类当前等级水平。实验结果下图所示, 总体识别率达到87%,证明用户对该系统不同强度刺激水平有很好的分辨力。 山国利技论文在线 http://www.paper.edu.cn =50电刺激等级试 图11刺激实验过程 Fig. I Stimulation process 0.94 0192092 0,92 0.86 0.86 0.86 45 U.82 0./2 15 10 2 4 5 9 10 180 别数43473644434646434641 图12刺激强度分辨实验结果 Fig. 12 Experimental results of stimulus intensity resolution 6结论 本文基于电触觉传导理论,设计了一种基于电触觉的假肢反馈系统,通过电触觉的方式 185 刺激人体,并建立刺激强度水平与抓取力等级映射,实验结果证明,用户对刺激强度分辨效 果优异,该系统能帮助上肢残疾人士建立触觉反馈,协助假肢使用。 9 山国利技论文在线 http://www.paper.edu.cn |参考文献( References) 190 1 Childress, Dudley S. Powered Limb Prostheses: Their Clinical Significance[J]. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 1973, BME-20(3): 200-207 [2] Cipriani C, Zaccone F, Micera S, et al. On the Shared Control of an EMG-Controlled Prosthetic Hand Analysis of User-Prosthesis Interaction]. IEEE Transactions on Robotics, 2008, 24(1): 170-184 3]基于振动反馈的智能假肢抓握系统设计与岍究D]华中科技大学,2016. 195 [4] Wang G, Zhang X, Zhang J, ct al. Gripping forcc sensory fccdback for a myoelectrically controlled forearm prosthesis[C] IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics, 1995. Intelligent Systems for the, Century. IEEE, 1995: 501-504 voL. L5」许恒.基于电触觉剌激的感知反馈系统研究D)上海交通大学,2015 [6 Rattay, Frank. Analysis of models for extracellular fiber stimulation [J]. IEEE Transactions on Biomedical 200 Engineering,1989,36(7)676-682 [7 Rattay, Frank. Analysis of the electrical excitation of CNS neurons[J]. IEEE Transactions on Biomedical Engineering,1998,45(6):766-772 8]金德闻,王人成.人工智能假肢[.中国组织工程研究,2002,6(20):2994-2995. 10

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