基于肌電控制的半定制柔性康復訓練手套

劉彩霞, 馬 菲, 余宏波, 劉貴乾, 郭 旭, 黃 英

(1.合肥工業大學 物理學院,安徽 合肥 230601; 2.合肥工業大學 微電子學院,安徽 合肥 230601)

“腦卒中”是一種危害大、發病率高的急性腦血管疾病[1],部分腦卒中患者遺留手部功能障礙,中風后3個月是康復訓練的黃金時期[2],但是患者憑借自身難以控制和協調手部肌肉完成康復訓練[3],基于康復訓練設備的手部康復訓練對于患者手功能恢復能起到重要促進作用[4-5]。

手部康復訓練設備從結構上主要分為剛性執行機構[6-7]和柔性執行機構[8]。剛性執行機構是通過剛性構件將驅動力傳遞到人手并帶動手指運動的手部康復訓練設備,這類執行機構約束關節的驅動自由度并阻礙其自然運動,舒適性和安全性較差。相較之下,柔性執行機構因結構簡單、舒適性和安全性較高、與人手貼合度高等特點,近年來發展迅速并逐漸成為康復訓練方向研究的熱點。柔性機構驅動方式[9-10]種類繁多,例如形狀記憶合金(shape memory alloys,SMA)驅動、電活性聚合物驅動、磁驅動和氣動驅動等。SMA驅動材料驅動頻率低、輸出力較小;電活性聚合物耦合驅動速度慢、效率低;磁驅動受磁線圈的影響,制造過程比較復雜;相較于以上驅動方式,氣動驅動技術成熟、反應速度較快、控制簡單,被廣泛應用于手部康復訓練設備。目前已有不少采用氣動驅動方式制作的康復訓練設備。文獻[11]研制的康復訓練手套集成了5個軟纖維增強型執行器,能夠起到較好的訓練效果,但該手套需要較大驅動力,與人手的貼合度較差;文獻[12]通過改變指節單元不同部位纖維增強體結構,讓執行器在運動過程中很好地貼合手部,同時避免了約束平臺結構,但該執行器在設計過程需要復雜的跟蹤傳感器輔助且制作工藝復雜;文獻[13]采用均勻氣腔研制MRC-Glove輔助人手彎曲,提高了指節單元與手指的貼合度,但驅動過程需要復雜的約束平臺。

除結構以外,控制方法也是決定康復訓練設備訓練效果的重要因素。目前,國內外科研機構的康復訓練設備都以被動式控制[14-15]為主,康復訓練周期較長,效果較弱。文獻[16]進行了控制方式的創新,提出一種基于三維手勢體感(Leap Motion)傳感器的康復訓練設備;但是基于三維手勢識別的控制需要使用者做出手勢并完成識別后才能完成控制,仍然無法實現主動控制。

綜合考慮康復訓練設備的執行機構和控制方法,本文基于肌電控制設計一種半定制主動式柔性氣動康復訓練手套。借助ABAQUS軟件進行仿真設計手套結構尺寸,通過研究符合手部特征的單指執行器單元確定各個氣腔尺寸,設計長、短指節并用長度可調節的連接部件連接;制作工藝方面,基于3D打印技術和流體自成型技術制作執行器并集成到織物手套上;控制方法上,采用表面肌電控制方案,利用支持向量機(support vector machine,SVM)算法實現手勢分類,完成對自制柔性康復訓練手套的主動式控制。制作的柔性康復手套具有與手部貼合度高且結構簡單的特點,可以進行抓取和鏡像康復訓練,康復訓練具有積極的效果。

1 柔性手套的設計與制作

柔性康復訓練手套設計制作包括單指執行器單元的設計、仿真和測試以及長、短指節的制作和測試。

1.1 單指執行器單元的設計

本文康復訓練手套是通過充氣使氣腔膨脹相互擠壓完成彎曲行為的。為提高手套單指執行器單元在彎曲過程中與手指的貼合度,設計手指的關節部位對應多個小氣腔,指節部分僅保留較窄的氣道。人手彎曲、均勻氣腔及非均勻氣腔的單指執行器單元如圖1a所示,可以看出具有均勻氣腔的指節單元彎曲時呈半圓形。均勻氣腔模型和非均勻氣腔模型與人體手指彎曲的對比如圖1b所示,可以看出均勻氣腔模型明顯不符合人體手部彎曲特征,與人手部貼合性較差,而非均勻氣腔模型更適合人手部特征。

圖1 模型運動軌跡分析

為擴大執行器的適用范圍,考慮到人手從靠近手掌近側指骨開始分為近節指骨、中節指骨、遠節指骨,且不同人手指在近節指骨部分差異最大,將執行器設計成長、短指節,并借助長度可調連接部件相連。

單指執行器單元如圖2所示。從圖2可以看出,手指遠節指骨、中節指骨對應長指節,近節指骨對應短指節,長、短指節由可任意尺寸調整更換的連接部件連接。

圖2 單指執行器單元

1.2 非線性力學建模與仿真

康復訓練手套的單指執行器單元采用硅橡膠材料制作,軟材料具有非線性力學特性,由非線性力學理論[17]分析可知,幾何尺寸參數是影響氣腔彎曲性能的主要因素。

影響氣腔彎曲角度θ的主要參數有內部氣腔壓強p、氣腔高度h、底層厚度d。氣腔膨脹前、后的示意圖如圖3a所示,可以通過控制變量法進行有限元分析。

圖3 指節彎曲角度仿真結果

當d=1.0 mm,h為11、12、13、14 mm時的指節彎曲角度仿真結果如圖3b所示。從圖3b可以看出,在相同底層厚度和氣壓下,隨著氣腔高度h的增加,彎曲角度呈現增大趨勢,且彎曲角度隨著內部氣壓的增大而增大。但氣腔高度h過高不易裝配,根據仿真結果,選擇h=14 mm作為氣腔高度參數。

當h=14 mm,d為0.5、1.0、1.5、2.0 mm的指節彎曲角度仿真結果如圖3c所示。從圖3c可以看出,在相同氣腔高度和氣壓下,隨著底層厚度d的增加,彎曲角度呈現減小的趨勢,且彎曲角度隨著內部氣壓的增大而增大。

由仿真結果可知d=0.5 mm時彎曲效果最好,但底層厚度過小會導致無法加入限制層且存在漲破風險,而底層厚度過大會降低軟體執行器柔性,氣壓驅動時彎曲角度達不到手指彎曲范圍,根據仿真結果,選擇d=1.0 mm作為底層厚度參數。

1.3 執行器指節制作

基于3D打印技術制作氣動執行器模具,制作短指節流程如圖4所示。

圖4 執行器指節單元制作過程

設計并使用聚乳酸(polylactic acid,PLA)材料3D打印總體長43 mm、寬18 mm、高14 mm的頂部模具,總體長43 mm、寬18 mm、高1 mm的底部模具。紅葉E615硅橡膠A、B膠以1∶1的質量比混合配置,將混合得到的流體硅橡膠放入真空機內抽真空去除氣泡。在頂部模具中倒入流體硅橡膠,將同樣使用PLA材料3D打印定制的長45 mm、寬20 mm、梳齒高14 mm的蓋板嵌入流體硅橡膠,室溫靜置24 h后固化脫模,得到內部氣腔高度h=14 mm、底層厚度d=1 mm的頂部模塊;取底部模具,倒入流體硅橡膠,待硅橡膠還未凝固時,向硅橡膠中置入植物纖維薄片作為應變限制層,室溫靜置24 h固化脫模得到底部模塊,并與頂部模塊粘合,組合可以得到短指節。

利用同樣方法制作長59 mm、寬18 mm、內部氣腔高度h=14 mm的長指節。使用TPU軟膠柔性彈性體3D打印制作長45 mm、寬20 mm、高14 mm的連接部件,制備單指執行器單元。

1.4 長、短指節及單指執行器單元性能測試

對長、短指節彎曲角度與氣壓關系、驅動力與氣壓關系進行測量,結果如圖5所示。其中,圖5a、圖5b中的插圖為測量裝置。

圖5 彎曲角度與氣壓關系、驅動力與氣壓關系、彎曲測試及結果

從圖5a可以看出,在內部氣壓20 kPa時,長、短指節分別彎曲90°、40°;從圖5b可以看出,長、短指節在內部氣壓為17 kPa時內側驅動力為0.50 N。

對單指執行器單元進行彎曲測試,結果如圖5c所示。

從圖5c可以看出,內部氣壓為0～20 kPa時,實物彎曲結果與仿真結果具有高度一致性。

2 肌電控制方案

控制方案的設計主要包括信號采集處理和氣動控制系統的設計。表面肌電信號[18]是眾多生物電信號中一種容易獲取的生理反饋信號,在運動意圖識別上有較高的精確性和魯棒性。在人體小臂肌肉處采集表面肌電信號,并結合SVM算法用于判斷人手的運動意圖,進而實現主動控制執行器的運動。

2.1 肌電信號的采集處理

采用Myoware肌電傳感器和生理電極片對肌電信號采集。Myoware傳感器的2個采集電極和1個參考電極與生理電極片連接,粘貼在人體小臂肱橈肌處和關節處,采集微弱肌電信號并放大,通過濾波電路有效抑制噪音,再利用Arduino UNO單片機進行特征提取。

肌電信號具有模糊性特點,不同使用者在相同肌肉塊采集的表面肌電信號具有較大差別,同一使用者在不同時間采集的肌電信號也有一定的差別,特征提取是肌電控制的重要環節。肌電信號特征包括時域特征、頻域特征、時頻域特征[19],不同手勢的時域特征差異較大,因此提取時域特征進行分類。

對握拳、拇指與其他4指對指的5種手勢識別的肌電波形和特征進行提取,不同手勢肌電波形如圖6a所示。

圖6 肌電信號采集與處理

綜合考慮執行時間、系統延時以及肌電信號的模糊與不平穩特征,每30 ms對濾波后的表面肌電信號進行檢測,每次對30 ms內的表面肌電信號的最大評估值(maximum assessed value, MAV)、方差(variance, VAR)、均方根(root mean square, RMS)進行提取,結果如圖6b所示。

由于肌電傳感器的裝配位置不同,當做出不同手勢時,牽動的肌肉群與肌電傳感器間具有空間差異,傳感器采集的肌電信號幅值與波形存在差異,本文通過SVM算法進一步對信號進行分類。采用十折交叉驗證方式得到分類的準確率,分類結果混淆矩陣如圖6c所示。

從圖6c可以看出:采用時域特征對5種手勢分類效果較好;握拳手勢與其他手勢時域差異較大,具有最高識別率;拇指-無名指對指、拇指-小指對指動作牽動的肌肉群一致性較高,識別率相對較低。5種手勢識別準確率較高,說明該識別結果可用于控制康復手套進而實現鏡像康復訓練。

2.2 氣動控制系統的設計

表面肌電信號來源于神經細胞,產生于肌肉收縮前30～150 ms,降低氣動系統延時可起到良好的主動控制效果,輔助完成鏡像康復訓練。氣動系統設計過程如圖7所示。

圖7 氣動控制系統設計過程

將一只手佩戴康復訓練設備,另一只手依次做出拇指與食指對指、中指對指、無名指對指、小拇指對指動作,利用Myoware傳感器采集相應手勢的肌電信號,輸出至單片機通過上位機顯示,上位機回傳的分類結果控制繼電器的導通,實現泄壓專用的兩通電磁閥關閉,其他氣流支路的三通電磁閥常態導通,氣泵與執行器之間的氣路導通,執行器充氣彎曲,從而完成同樣的手部訓練動作;當做出舒展動作時,泄壓電磁閥導通,兩位三通電磁閥切換,執行器與泄壓電磁閥之間氣路導通,完成排氣泄壓,手指伸展,恢復到初始狀態,完成鏡像康復訓練。

氣動系統流程如圖8所示。

圖8 氣動系統流程框圖

當上個訓練動作結束需要執行下個訓練動作時,若需要彎曲執行器,則三通電磁閥打開、兩通電磁閥關閉以實現充氣;若無需彎曲執行器,則三通電磁閥關閉、兩通電磁閥打開以實現放氣,并判斷是否滿足充氣時間。當滿足充氣時間則做出訓練動作,隨后將全部執行器的三通電磁閥及兩通電磁閥均關閉,完成訓練動作加載過程;當不滿足充氣時間,則重新執行上述過程。當上個訓練動作結束且無需執行下個訓練動作時,全部執行器的三通電磁閥關閉、兩通電磁閥打開以實現放氣,并判斷是否滿足放氣時間,若滿足充氣時間則全部執行器復位,否則重新執行上述過程,隨后全部執行器的三通和兩通電磁閥均關閉,完成訓練動作卸載過程。

在此循環系統中,肌電信號反應速度快,不同手勢狀態能實時更新,及時實現不同手勢之間的自由切換。

3 康復訓練手套集成與應用

將單指執行器單元一體化,由于手指長度不同,利用可更換、尺寸可調整的連接部件將長、短指節整合成完整的單指執行器單元。

固定2個單指執行器的短指節,將2枚單指執行器形成一個夾爪對物品進行抓取,結果如圖9a所示。從圖9a可以看出,單指執行器單元形成的夾爪具有很好的抓取效果。

圖9 康復訓練手套的集成和應用

將魔術貼縫制在手套上,根據手的實際尺寸制作5個單指執行器單元,借助魔術貼固定在織物手套上完成柔性康復訓練手套的制備,如圖9b所示。

將需訓練的手佩戴手套,借助肌電信號獲取另一只手的運動意圖,如圖9c所示。從圖9c可以看出,在康復訓練手套的幫助下,該手成功抓取物體,表明制作的康復訓練手套可以輔助抓取康復訓練。

手的鏡像康復訓練如圖9d所示。從圖9d可以看出,根據運動意圖,康復訓練手套實現了5組手勢的鏡像康復訓練,有效促進大腦神經元重塑[20],加速手部康復。

4 結 論

為了提高康復訓練的舒適性和安全性,本文基于仿生原理,根據人體手部形狀,設計一種半定制柔性康復訓練手套。通過數學建模和有限元仿真分析,得到合適的柔性執行器結構尺寸參數;對柔性執行器的長、短指節分別進行彎曲角度、驅動力以及連接部件整合的單指執行器單元彎曲測試發現,單指執行器單元滿足手指康復訓練需求;將單指執行器單元一體化后的康復訓練手套借助SVM算法識別人手運動意圖,從而輔助完成鏡像康復訓練。

在下一步的工作中,擬進一步通過增加表面肌電信號采集通道數和優化特征提取算法的方式實現精確手勢識別,提高手勢識別的準確率。