CN109498366A - 一种辅助手臂运动的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种辅助手臂运动的系统，能够抑制缓解用户的震颤行为。所述系统包括：检测模块、控制模块、执行机构和为所述检测模块、控制模块、执行机构供电的电源模块；其中，所述检测模块，用于检测用户手臂的运动反馈信号；所述控制模块，用于对检测到的用户手臂的运动反馈信号进行解析，利用信号分离算法对解析结果进行滤波得到手臂的震颤信号，根据得到的手臂的震颤信号，利用前馈控制策略和PID控制器对所述执行机构进行控制，其中，PID控制器表示比例、积分、微分控制器。本发明涉及传感测量及电子控制领域。
Description
技术领域
本发明涉及传感测量及电子控制领域，特别是指一种辅助手臂运动的系统。
背景技术
帕金森病(Parkinson’s Disease，PD)是一种神经系统变性疾病，导致大脑对肌肉的控制能力逐步丧失，但是到目前为止，帕金森病的真实病因还未被真正找到。
熟知的帕金森病的主要明显症状是静止性震颤，除此之外，患者还会有肌肉关节强直、身体部位僵硬、行动缓慢且平衡感差等症状。随着帕金森病患者的数量逐年递增，数据显示，我国帕金森患者人数的增长率已经迈入了快速增长的阶段，这不仅给患者自己增加了极大的压力也会给患者家庭、社会带来极重的负担。因此在抑制帕金森震颤的临床实际中，需要寻求新的辅助方法和手段。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种辅助手臂运动的系统，以解决现有技术所存在的手臂运动过程中震颤的问题。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种辅助手臂运动的系统，包括：检测模块、控制模块、执行机构和为所述检测模块、控制模块、执行机构供电的电源模块；其中，
所述检测模块，用于检测用户手臂的运动反馈信号；
所述控制模块，用于对检测到的用户手臂的运动反馈信号进行解析，利用信号分离算法对解析结果进行滤波得到手臂的震颤信号，根据得到的手臂的震颤信号，利用前馈控制策略和PID控制器对所述执行机构进行控制，其中，PID控制器表示比例、积分、微分控制器。
进一步地，所述检测模块包括：姿态传感器和若干个压力传感器；
所述姿态传感器，用于检测用户手臂的运动反馈信号；
所述压力传感器，用于检测手臂的压力。
进一步地，所述系统包括：无线通信单元；
所述控制模块通过所述无线通信单元与所述姿态传感器进行无线通信。
进一步地，所述系统包括：电压转换电路；
所述控制模块通过所述电压转换电路与所述压力传感器相连；
所述压力传感器为薄膜电阻式压力传感器。
进一步地，所述执行机构为舵机联动连杆结构；
所述执行机构包括：第一舵机、第二舵机和连杆机构；其中，第一舵机，用于实现手臂肘关节的屈伸动作；第二舵机，用于实现前臂内外方向旋转动作。
进一步地，所述系统还包括：缓冲器模块以及光耦隔离模块；
第一舵机通过第一缓冲器模块和第一光耦隔离模块与所述控制模块的第一定时器输出端相连；
第二舵机通过第二缓冲器模块和第二光耦隔离模块与所述控制模块的第二定时器输出端相连；
其中，第一定时器、第二定时器输出的是脉冲宽度调制波输出占空比。
进一步地，所述系统还包括：与所述控制模块相连的蜂鸣器模块；
所述控制模块，用于判断压力传感器检测到的手臂的压力值是否大于预设的压力阈值，若是，则控制蜂鸣器模块进行报警。
进一步地，所述信号分离算法为基于带限线性傅里叶拟合预估的分离算法。
进一步地，所述控制模块，用于对检测到的用户手臂的运动反馈信号进行解析，利用信号分离算法对解析结果进行滤波得到手臂的震颤角度；判断控制模块中的第四定时器的中断时间是否达到第二预设时间，若达到，则将得到的手臂的震颤角度叠加到PID预设的运动角度上，判断当前PID运动角度是否大于等于90度，或小于等于0度，若不是，则控制模块根据当前的PID运动角度利用PID控制器计算、改变第一定时器、第二定时器的脉冲宽度调制波输出占空比，将第一定时器、第二定时器输出信号输出到对应的舵机上。
进一步地，所述控制模块，还用于判断控制模块中的第三定时器的中断时间是否达到第一预设时间，若达到，则PID预设的运动角度根据按键模式改变目标角度，判断当前PID运动角度是否大于等于90度，或小于等于0度，若不是，则控制模块根据当前的PID运动角度利用PID控制器计算、改变第一定时器、第二定时器的脉冲宽度调制波输出占空比，将第一定时器、第二定时器输出信号输出到对应的舵机上。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，通过检测模块检测用户手臂的运动反馈信号；控制模块对检测到的用户手臂的运动反馈信号进行解析，利用信号分离算法对解析结果进行滤波得到手臂的震颤信号，根据得到的手臂的震颤信号，利用前馈控制策略和PID控制器对所述执行机构进行控制，以便通过执行机构的运动来抑制缓解用户(例如，帕金森病人)的震颤行为，从而解决手臂运动过程中震颤的问题。
附图说明
图1为本发明实施例提供的辅助手臂运动的系统的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的辅助手臂运动系统的穿戴示意图；
图3为本发明实施例提供的辅助手臂运动系统的原理示意图；
图4为本发明实施例提供的辅助手臂运动系统的工作流程示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有的手臂运动过程中震颤的问题，提供一种辅助手臂运动的系统。
如图1所示，本发明实施例提供的辅助手臂运动的系统，包括：检测模块11、控制模块12、执行机构13和为所述检测模块11、控制模块12、执行机构13供电的电源模块14；其中，
所述检测模块11，用于检测用户手臂的运动反馈信号；
所述控制模块12，用于对检测到的用户手臂的运动反馈信号进行解析，利用信号分离算法对解析结果进行滤波得到手臂的震颤信号，根据得到的手臂的震颤信号，利用前馈控制策略和PID控制器对所述执行机构13进行控制，其中，PID控制器表示比例、积分、微分控制器。
本发明实施例所述的辅助手臂运动的系统，通过检测模块检测用户手臂的运动反馈信号；控制模块对检测到的用户手臂的运动反馈信号进行解析，利用信号分离算法对解析结果进行滤波得到手臂的震颤信号，根据得到的手臂的震颤信号，利用前馈控制策略和PID控制器对所述执行机构进行控制，以便通过执行机构的运动来抑制缓解用户(例如，帕金森病人)的震颤行为，从而解决手臂运动过程中震颤的问题。
本实施例中，所述检测模块穿戴于手臂用于检测用户手臂的运动反馈信号，控制模块对检测到的用户手臂的运动反馈信号进行解析，并根据解析结果控制执行机构的动作；其中，所述执行机构穿戴于手臂，与手臂相互绑定，用于抑制用户震颤辅助手臂运动。
本发明实施例是针对帕金森患者设计的一种可以辅助帕金森患者手臂运动的电子系统，但是不仅适用于帕金森患者，也适用于其他一些需要进行康复性训练的用户和进行特定动作训练的用户。也就是说，本发明实施例所述的辅助手臂运动的系统不仅能够对帕金森患者的震颤行为进行抑制，还能对一些特定动作的进行辅助支撑运动和协助患者进行一些康复性训练。
在前述辅助手臂运动的系统的具体实施方式中，进一步地，所述检测模块包括：姿态传感器和若干个压力传感器；
所述姿态传感器，用于检测用户手臂的运动反馈信号；
所述压力传感器，用于检测手臂的压力。
本实施例中，如图2所示，所述检测模块可以包括：1个穿戴于手臂用于检测手臂运动反馈信号的姿态传感器和穿戴于手臂用于检测手臂4个方向压力的4个压力传感器；具体的：
姿态传感器置于手臂的上方，并将姿态传感器绑定与手臂上，4个压力传感器分别置于手臂的上方、下方、左侧和右侧。
本实施例中，所述姿态传感器包括：角速度计、加速度计、磁力计、控制单元和蓝牙单元；其中，角速度计用来测量X轴、Y轴、Z轴三个方向的角速度；加速度计用来测量X轴、Y轴、Z轴三个方向的加速度；磁力计用来测量X轴、Y轴、Z轴三个方向的地磁场数据；控制单元将三个轴向相关数据进行动力学解算与卡尔曼动态滤波，求解出用户手臂当前的实时运动姿态(即:运动反馈信号)；蓝牙完成运动姿态数据的无线传输。
本实施例中，所述电源模块包括：锂电池；所述姿态传感器通过单独的锂电池为其供电。
在前述辅助手臂运动的系统的具体实施方式中，进一步地，所述系统包括：无线通信单元；
所述控制模块通过所述无线通信单元与所述姿态传感器进行无线通信。
本实施例中，所述控制模块为以STM32芯片为核心的处理器模块，例如，所述控制模块可以为STM32F103ZET6，其基于Cortex-M3为内核，外部接有8M的晶振，主频为72M，其具有512K的FLASH内存，64K的RAM，并具有60个中断源，5个UART口。
本实施例中，所述无线通信单元可以为蓝牙模块；所述控制模块的串口端(例如，UART5)与蓝牙模块相连，所述蓝牙模块可以为嵌入式蓝牙通讯模块。所述姿态传感器通过自带的蓝牙单元和与控制模块相连的蓝牙模块进行主从模式的绑定，所述姿态传感器利用蓝牙单元进行无线通讯将姿态传感器检测到的用户手臂的运动反馈信号传送到控制模块中，以便控制模块根据通信协议对运动反馈信号进行解析，提取出有用的数据，为后续信号分离算法和控制输出提供依据。
在前述辅助手臂运动的系统的具体实施方式中，进一步地，所述系统包括：电压转换电路；
所述控制模块通过所述电压转换电路与所述压力传感器相连；
所述压力传感器为薄膜电阻式压力传感器。
本实施例中，所述控制模块通过所述电压转换电路与所述压力传感器相连，从而实现控制模块与压力传感器之间的数据传输。
本实施例中，所述压力传感器可以为薄膜电阻式压力传感器。所述电压转换电路的输入端与所述薄膜电阻式压力传感器的两个引脚相连，所述电压转换电路的输出端分为数字端口输出与模拟端口输出，其中，模拟端口与所述控制模块自带的A/D转换模块相连，数字端口与所述控制模块普通端口相连。
本实施例中，普通端口指无外围设备的端口，有些端口增加了外围设备，例如，A/D转换模块，加“普通”二字是为了区别有外围设备的端口。
本实施例中，压力传感器通过与之相连的电压转换电路与控制模块的A/D转换模块端口和普通端口相连接，控制模块通过A/D转换模块可以得到手臂的压力值，并且通过改变电压转换电路的滑动变阻器，改变压力的阈值，从而影响电压转换电路的数字端口输出，其中，数字端口输出值为0或1，0用于表示低电压，1用于表示高电压。
在前述辅助手臂运动的系统的具体实施方式中，进一步地，所述执行机构为舵机联动连杆结构；
所述执行机构包括：第一舵机、第二舵机和连杆机构；其中，第一舵机，用于实现手臂肘关节的屈伸动作；第二舵机，用于实现前臂内外方向旋转动作。
本实施例中，第一舵机的旋转中心为大地坐标系的X轴，用于实现手臂肘关节的屈伸动作；第二舵机的旋转中心为大地坐标系的Y轴，用于实现前臂内外方向旋转动作；
本实施例中，外骨骼是与人体进行动力交换的机电设备，对用户进行治疗或康复的辅助设备，统称外骨骼，因此，所述机械执行机构也可以称为外骨骼机械执行机构。
在前述辅助手臂运动的系统的具体实施方式中，进一步地，如图3所示，所述系统还包括：缓冲器模块以及光耦隔离模块；
第一舵机通过第一缓冲器模块和第一光耦隔离模块与所述控制模块的第一定时器输出端相连；
第二舵机通过第二缓冲器模块和第二光耦隔离模块与所述控制模块的第二定时器输出端相连；
其中，第一定时器、第二定时器输出的是脉冲宽度调制波输出占空比。
本实施例中，第一舵机、第二舵机均为数码舵机，数码舵机可以在10ms的周期内做出反应，两个数码舵机都通过缓冲器模块和光电耦合模块与控制模块的第一定时器(TIM2)、第二定时器(TIM3)的输出端相连。第一定时器、第二定时器输出的是脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)波输出占空比。
本实施例中，缓冲器模块主要用于保护电路、提高舵机的驱动能力；光耦隔离模块主要是光电隔离功能，防止电流过大冲击烧毁控制模块。
在前述辅助手臂运动的系统的具体实施方式中，进一步地，如图3所示，所述系统还包括：与所述控制模块相连的蜂鸣器模块；
所述控制模块，用于判断压力传感器检测到的手臂的压力值是否大于预设的压力阈值，若是，则控制蜂鸣器模块进行报警。
本实施例中，所述系统还带有报警功能，所述蜂鸣器模块与控制模块相连，当压力传感器检测到的手臂的压力值大于预设的压力阈值时，蜂鸣器会产生报警来提醒用户，避免执行机构较大力矩输出对用户产生伤害。
在前述辅助手臂运动的系统的具体实施方式中，进一步地，所述信号分离算法为基于带限线性傅里叶拟合预估的分离算法。
本实施例中，所述控制模块对姿态传感器和压力传感器检测到的数据进行采集并解析，利用基于带限线性傅里叶拟合预估的分离算法对用户手臂的运动反馈信号进行滤波得到手臂的震颤信号，并利用前馈的控制策略和PID控制器对所述执行机构进行控制。
对于本发明实施例提供的辅助手臂运动的系统，本发明实施例还提供了相应的方法，该方法具体可以包括：
S1，在手臂的上方穿戴姿态传感器，在用户的手臂上方、下方、左侧、右侧穿戴压力传感器，并将姿态传感器通过无线方式与控制模块相连，将压力传感器通过电压转换电路利用接线连接方法与控制模块相连；
S2，将执行机构与手臂进行绑定，通过缓冲器和光电耦合模块将控制模块与执行机构相连；
S3，为姿态传感器、压力传感器、控制模块、执行机构、缓冲器模块、光电耦合模块等组件进行上电检测；
S4，控制模块对姿态传感器、压力传感器检测到的数据进行采集并解析，利用信号分离算法对用户手臂的运动反馈信号进行滤波得到手臂的震颤信号，并利用前馈的控制策略和PID控制器对执行机构进行控制。
本实施例中，如图4所示，所述控制模块对姿态传感器、压力传感器检测到的数据进行采集并解析，利用信号分离算法对用户手臂的运动反馈信号进行滤波得到手臂的震颤信号，并利用前馈的控制策略和PID控制器对执行机构进行控制(S4)具体可以包括以下步骤：
S41，控制模块进行当前一轮的查询，判断控制模块上是否有按键按下的信号，若有则执行S42，若无则返回执行S41，按键按下时，第三定时器、第四定时器开始中断计时。
本实施例中，控制模块有四种按键模式，分别是：肘部屈曲、肘部伸展、前臂旋内、前臂旋外，在实际应用中，可以根据实际应用场景对按键模式进行扩展或删减。
S42，控制模块利用UART5串口接收中断判断是否有姿态传感器传回的数据，若有则对传回的十六进制数据进行解析，得到浮点型数据，将得到的数据进行提取保存，执行S43，若无数据则返回执行S41。
S43，控制模块利用得到的姿态传感器数据进行信号分离算法运算，得到手臂震颤角度的拟合预估数据，并将数据进行保存，执行S44。
S44，控制模块利用第三定时器(例如，TIM6)中断判断中断时间(中断从按键按下开始计时)是否达到第一预设时间(例如，0.5秒)，若达到则将PID预设的运动角度改变(增加/减小，例如，如果是肘部屈曲，角度就是增加；如果是肘部伸展，角度就是减少)目标角度(例如，9度)，判断当前PID运动角度是否大于等于90度，或小于等于0度，若不是，则控制模块根据当前的PID运动角度利用PID控制器计算、改变定时器TIM2、TMI3的PWM波输出占空比，将TIM2、TMI3输出信号输出到对应的舵机上，执行S44，若未达到则执行S41。
S45，控制模块利用第四定时器(例如，TIM7)中断判断中断时间是否达到第二预设时间(例如，1秒)，若达到则利用步骤S43得到的拟合预估数据(手臂震颤角度)叠加到PID预设的运动角度上，判断当前PID运动角度是否大于等于90度，或小于等于0度，若不是，则控制模块根据当前的PID运动角度利用PID控制器计算、改变定时器TIM2、TMI3的PWM波输出占空比，将TIM2、TMI3输出信号输出到对应的舵机上，计算完成一个循环，实现主动抑震的效果。
S46，在当前一轮的查询中判断压力传感器检测到的手臂的压力值是否大于预设的压力阈值，若是，则控制蜂鸣器模块进行报警，否则，则执行当前循环。
上述方案中，利用基于信号分离算法和控制策略的软件平台和一套电子系统的硬件平台，对手臂运动过程中震颤的辅助治疗进行了研究，并且可以基本实现缓解用户的手臂震颤的功能，辅助手臂进行运动，本发明提供的方案可以为帕金森用户的治疗提供一个新的思路和方法，实用价值较强。
为了更好地说明本发明实施例所述的辅助手臂运动的系统，以肘部屈曲的动作为例，做一个简要的步骤说明：
A1，按键按下肘部屈曲对应的按键；
A2，控制模块进行当前一轮的查询，判断有肘部屈曲按键按下；
A3，控制模块利用定时器TIM6中断判断中断时间是否达到0.5秒，若达到则将PID预设的运动角度增加9度，判断当前PID运动角度是否大于等于90度，或小于等于0度，若不是，则控制模块根据当前的PID运动角度利用PID控制器计算、改变定时器TIM2、TMI3的PWM波输出占空比，将TIM2、TMI3输出信号输出到对应的舵机上，若是，则直接结束；也可以采取下面的处理方式：若当前PID运动角度大于等于90度，则令当前PID运动角度为90度，若当前PID运动角度小于等于0度，则令当前PID运动角度为0度，然后，控制模块根据当前的PID运动角度利用PID控制器计算、改变定时器TIM2、TMI3的PWM波输出占空比，将TIM2、TMI3输出信号输出到对应的舵机上。
A4，控制模块利用UART5串口接收中断判断是否有姿态传感器传回的数据，若有则对传回的十六进制数据进行解析，得到浮点型数据，将得到的数据进行提取保存，控制模块利用得到的姿态传感器数据进行基于带限线性傅里叶拟合预估算法的滤波算法运算，得到手臂震颤角度的拟合预估数据，并将数据进行保存，等待TIM7中断判断中断时间是否达到1秒，若达到则将PID预设的运动角度再叠加拟合预估数据，判断当前PID运动角度是否大于等于90度，或小于等于0度，若不是，则控制模块根据当前的PID运动角度利用PID控制器计算、改变定时器TIM2、TMI3的PWM波输出占空比，将TIM2、TMI3输出信号输出到对应的舵机上。
A5，在当前一轮的查询中判断压力传感器检测到的手臂的压力值是否大于预设的压力阈值，若是，则控制蜂鸣器模块进行报警，否则，则执行当前循环。
本实施例中，通过将所述辅助手臂运动的系统置于手臂合适的位置，可以通过系统中的按键模式进行相应方向的运动，并在运动过程缓解用户的震颤行为，为用户的治疗寻求一套新的解决方案。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种辅助手臂运动的系统，其特征在于，包括：检测模块、控制模块、执行机构和为所述检测模块、控制模块、执行机构供电的电源模块；其中，
所述检测模块，用于检测用户手臂的运动反馈信号；
所述控制模块，用于对检测到的用户手臂的运动反馈信号进行解析，利用信号分离算法对解析结果进行滤波得到手臂的震颤信号，根据得到的手臂的震颤信号，利用前馈控制策略和PID控制器对所述执行机构进行控制，其中，PID控制器表示比例、积分、微分控制器。
2.根据权利要求1所述的辅助手臂运动的系统，其特征在于，所述检测模块包括：姿态传感器和若干个压力传感器；
所述姿态传感器，用于检测用户手臂的运动反馈信号；
所述压力传感器，用于检测手臂的压力。
3.根据权利要求2所述的辅助手臂运动的系统，其特征在于，所述系统包括：无线通信单元；
所述控制模块通过所述无线通信单元与所述姿态传感器进行无线通信。
4.根据权利要求2所述的辅助手臂运动的系统，其特征在于，所述系统包括：电压转换电路；
所述控制模块通过所述电压转换电路与所述压力传感器相连；
所述压力传感器为薄膜电阻式压力传感器。
5.根据权利要求1所述的辅助手臂运动的系统，其特征在于，所述执行机构为舵机联动连杆结构；
所述执行机构包括：第一舵机、第二舵机和连杆机构；其中，第一舵机，用于实现手臂肘关节的屈伸动作；第二舵机，用于实现前臂内外方向旋转动作。
6.根据权利要求5所述的辅助手臂运动的系统，其特征在于，所述系统还包括：缓冲器模块以及光耦隔离模块；
第一舵机通过第一缓冲器模块和第一光耦隔离模块与所述控制模块的第一定时器输出端相连；
第二舵机通过第二缓冲器模块和第二光耦隔离模块与所述控制模块的第二定时器输出端相连；
其中，第一定时器、第二定时器输出的是脉冲宽度调制波输出占空比。
7.根据权利要求2所述的辅助手臂运动的系统，其特征在于，所述系统还包括：与所述控制模块相连的蜂鸣器模块；
所述控制模块，用于判断压力传感器检测到的手臂的压力值是否大于预设的压力阈值，若是，则控制蜂鸣器模块进行报警。
8.根据权利要求1所述的辅助手臂运动的系统，其特征在于，所述信号分离算法为基于带限线性傅里叶拟合预估的分离算法。
9.根据权利要求1所述的辅助手臂运动的系统，其特征在于，所述控制模块，用于对检测到的用户手臂的运动反馈信号进行解析，利用信号分离算法对解析结果进行滤波得到手臂的震颤角度；判断控制模块中的第四定时器的中断时间是否达到第二预设时间，若达到，则将得到的手臂的震颤角度叠加到PID预设的运动角度上，判断当前PID运动角度是否大于等于90度，或小于等于0度，若不是，则控制模块根据当前的PID运动角度利用PID控制器计算、改变第一定时器、第二定时器的脉冲宽度调制波输出占空比，将第一定时器、第二定时器输出信号输出到对应的舵机上。
10.根据权利要求1所述的辅助手臂运动的系统，其特征在于，所述控制模块，还用于判断控制模块中的第三定时器的中断时间是否达到第一预设时间，若达到，则PID预设的运动角度根据按键模式改变目标角度，判断当前PID运动角度是否大于等于90度，或小于等于0度，若不是，则控制模块根据当前的PID运动角度利用PID控制器计算、改变第一定时器、第二定时器的脉冲宽度调制波输出占空比，将第一定时器、第二定时器输出信号输出到对应的舵机上。
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