假手指尖压力与关节角度反馈的电刺激驱动方法与系统与流程

本发明涉及触觉反馈技术领域，具体涉及一种假手指尖压力与关节角度反馈的电刺激驱动方法与系统。

背景技术：

现有假肢可以满足日常需求，但普遍都缺少可以将假手指尖上的压力等信息反馈给使用者的反馈装置，而对于使用者来说缺少反馈装置，将无法实时获得假手指尖上压力、温度等等这些信息，这一方面使假肢的控制无法形成闭环控制，降低控制的精确性，另一方面使用者对这些压力、温度信息的缺失会给使用者产生心理抵触。因此，假肢上的反馈装置显得尤为重要。

现有的反馈装置如专利cn103720528所述的通过人工感觉刺激器将电信号、振动信号、视觉信号提供感觉反馈，但没有具体阐述实现刺激与感觉对应的方法；如专利cn102379760a所述肌电假手触觉反馈方法，其反馈的是整支假手六个方向上的力，但无法实现各个手指的力，同时其使用振动形式反馈，振动形式反馈耗能高，不利于长时间使用。本发明提供一种假手指尖压力与关节角度反馈的电刺激驱动方法与系统，可实现将指尖压力和手指关节角度反馈给假肢使用者，该系统耗能低，续航时间长，可在缺少视觉反馈的情况下实现对假肢的精确控制，同时减小假肢使用者的心理压力。

技术实现要素：

为了解决现有假肢缺少反馈装置而造成使用者心理抵触和假肢控制精度低的缺陷，本发明提供了一种假手指尖压力与关节角度反馈的电刺激驱动方法与系统。该系统能够让使用者能够更好地控制假肢完成日常的生活动作，同时能够减少使用者对假肢的排斥心理。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种假手指尖压力与关节角度反馈的电刺激驱动系统，包括压力角度测量模块和电刺激控制器，压力角度测量模块包括光纤传感器；

所述光纤传感器，用于实时测量假手指尖各指压力与角度发送到电刺激控制器；

所述电刺激控制器，用于接收各指关节角度和指尖压力值，经过预定的映射关系，产生特定刺激频率的恒定电流，经过固定于袖带上电极，刺激使用者的上肢大臂。

作为本发明的进一步改进，所述电极分为正负电极，分别接电刺激控制器输出通道的正负端，电刺激控制器的每个输出通道与对应上下分布的一对正负电极连接。

作为本发明的进一步改进，当袖带绑在使用者上肢大臂上时，正负电极沿上肢大臂轴向分布，在上肢大臂周向上为等间距分布。

作为本发明的进一步改进，光纤传感器固定于假手正面的五指上，随手指弯曲而变形，同时随受到的压力变化而产生变形。

作为本发明的进一步改进，所述电刺激控制器输出多通道不同频率和幅值的双极性脉冲恒定电流。

作为本发明的进一步改进，所述电刺激控制器包括电源模块、蓝牙模块、控制器模块、数模转换模块、压控恒流源模块、电流极性转换模块和限流保护模块；控制器模块、数模转换模块、压控恒流源模块、电流极性转变模块和限流保护模块均与电源模块连接，控制器模块与蓝牙模块连接；

所述电源模块用于各模块供电；

所述蓝牙模块用于接收假手指尖各指压力与关节角度值；

所述控制器模块用于生成控制波形命令；

所述数模转换模块用于转变数字信号成模拟信号；

所述压控恒流源模块用于输出恒定电流；

所述极性转换模块用于控制输出电流极性；

所述限流保护模块用于限制输出电流幅值。

作为本发明的进一步改进，所述电刺激控制器根据得到的压力与角度值，对其做等级划分，设置7个刺激频率低于100hz的电流刺激等级，分别为1hz，2hz，4hz，8hz，16hz，32hz，64hz频率，电流幅值为7ma。

作为本发明的进一步改进，7个等级的电流刺激、指关节角度和指尖压力的等级划分与映射关系如下：

1)对假手角度做等级划分，假手的五个指关节的转动范围在0-90°之间，将其划分成三个等级，0-30°范围内为角度等级一；31-60°范围内为角度等级二；61-90°范围内为角度等级三；

2)对假手指尖压力做等级划分，0-2n范围内为压力等级1；2-4n范围内为压力等级2；4-6n范围内为压力等级3；6n范围以上为压力等级4；

将上述七个等级分别与电刺激控制器输出的1hz，2hz，4hz，8hz，16hz，32hz，64hz频率电流相对应，当测得的压力和关节角度位于上述七个等级之一时，便控制电刺激器相应通道输出相应频率的电流，并且大拇指与刺激通道1对应，食指与刺激通道2对应，中指与刺激通道3对应，无名指与刺激通道4对应，小指与刺激通道5对应；同时当指尖未产生压力时，仅反馈手指关节角度；当指尖产生压力时，仅反馈压力值；以此使用者得知假手上各种信息，形成闭环反馈。

一种假手指尖压力与关节角度反馈的电刺激驱动系统的驱动方法，包括以下步骤：

电刺激控制器有5个刺激通道，通道1对应大拇指；通道2对应食指；通道3对应中指；通道4对应无名指；通道5对应小指；当假手未抓取物品，指尖压力值为0时，电刺激仅针对对应角度值，假手指角度的3个等级分别对应刺激频率的前三个刺激频率；当假手抓取到物品，产生指尖压力时，刺激仅针对对应指尖压力值，假手指尖压力的4个等级分别对应刺激频率的后四个刺激频率；当压力或角度值处于某一等级时，电刺激控制器即输出对应频率电流。

作为本发明的进一步改进，电刺激控制器上电之后，具体控制流程如下：

1)使能时钟；

2)串口通信判断是否接收到数据，未接收到则继续等待，接收到则进入中断，将接收到的16位数据，即2字节保存，关闭中断；

3)根据接收到的16位数据，

若第1字节低4位数值为1，则该值为大拇指相关数值，对应控制通道1刺激电流参数；

若第1字节低4位数值为2，则该值为大拇指相关数值，对应控制通道2刺激电流参数；

若第1字节低4位数值为3，则该值为大拇指相关数值，对应控制通道3刺激电流参数；

若第1字节低4位数值为4，则该值为大拇指相关数值，对应控制通道4刺激电流参数；

若第1字节低4位数值为5，则该值为大拇指相关数值，对应控制通道5刺激电流参数；

4)根据接收到16位数据，若第一字节高4位数值为1，则该值为压力值，则实际压力值＝接收数据低8位数值*0.1，根据映射关系，划分等级，设定该通道刺激电流频率；若第一字节高4位数值为2，则该值为角度值，则实际角度值＝接收数据低8位数值，根据映射关系，划分等级，设定该通道刺激电流频率，输出电流刺激；

当使用者上肢大臂感受到电流刺激，判断刺激频率的等级以及刺激的通道，根据映射关系识别其对应压力或角度等级，进行识别假手的指尖压力和手指关节角度。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

本发明电刺激驱动系统能够将在假手指尖上测得的压力与关节角度，通过与不同频率的电流刺激建立映射关系，以电刺激形式反馈给使用者，通过映射关系使用者可以分辨出压力与关节角度的大小，从而让使用者能够更好地控制假肢完成日常的生活动作，同时能够减少使用者对假肢的排斥心理。与传统假肢缺少反馈装置而造成使用者心理抵触和假肢控制精度低的缺陷相比，本发明提供了一个指尖压力和手指关节角度的反馈装置，使得使用者对假肢的控制更加精确，交互更加自然；本装置可以提升假肢使用者心理感受，减少假肢使用者对假肢的排斥心理，使得假肢的使用更加友好，还可提供假手指关节与指尖压力的联合反馈。

本发明在已经完成电刺激硬件系统基础上，设计控制流程，电流刺激系统主要是根据信号解调器传输来的各指压力和角度来做决策，输出特定频率刺激脉冲，当使用者上肢大臂感受到电流刺激，判断刺激频率的等级以及刺激的通道，即可根据映射关系识别其对应压力或角度等级，即可识别假手的指尖压力和手指关节角度。本系统针对容易被人忽略假手指角度信息，联合指尖压力做映射编码，使得使用者对假肢的控制更加精确，交互更加自然。

附图说明

图1为假手指尖压力与关节角度反馈的电刺激驱动系统示意图；

图2是刺激电极在袖带中位置；

其中：1、光纤传感器；2、信号解调器；3、假肢手掌；4、使用者上肢小臂；5、使用者上肢大臂；6、袖带；7、电刺激控制器；

图3为电刺激控制器结构图；

图4为压控恒流源模块电路图；

图5为极性转换模块电路图；

图6为电刺激控制器控制流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图1至图6所示，本发明为一种假手指尖压力与关节角度反馈的电刺激驱动方法与系统，主要包括压力角度测量模块、电刺激控制器；压力角度测量模块包括光纤传感器和信号解调器，使用光纤传感器实时测量假手指尖各指压力与角度，信号经信号解调器解调成实际压力与角度值，通过蓝牙发送到电刺激控制器；电刺激控制器可输出5通道不同频率和幅值的双极性脉冲恒定电流，电刺激控制模块包括电源模块、蓝牙模块、控制器模块、数模转换模块、压控恒流源模块、电流极性转变模块和限流保护模块，电源模块用于各模块供电，蓝牙模块用于接收信号解调器发送的假手指尖各指压力与关节角度值，控制器模块用于生成控制波形命令，数模转换模块用于转变数字信号成模拟信号，压控恒流源模块用于输出恒定电流，极性转换模块用于控制输出电流极性，限流保护模块用于限制输出电流幅值。

整个系统首先是光纤传感器测得假手指尖压力与关节角度值，并发送给电刺激控制器，电刺激控制器根据得到的压力与角度值，对其做等级划分。正常人体皮肤可以感知和识别不同频率的电刺激，因此通过人体对电刺激的感知来反馈指尖压力和关节角度，但对频率过于接近的电刺激的分辨率不高，同时对过高频率的刺激会产生刺痛感，考虑到此，为了保证人体对不同刺激频率的识别正确度和感受，仅设置7个刺激频率低于100hz且能产生明显差异的不同频率的电流刺激等级，这7个等级的电刺激频率分别为1hz，2hz，4hz，8hz，16hz，32hz，64hz频率，电流幅值为7ma，同时这7个等级的电流刺激、指关节角度和指尖压力的等级划分与映射关系如下：

1.对假手角度做等级划分，假手的五个指关节的转动范围在0-90°之间，将其划分成三个等级，0-30°范围内为角度等级一；31-60°范围内为角度等级二；61-90°范围内为角度等级三；

2.对假手指尖压力做等级划分，0-2n范围内为压力等级一；2-4n范围内为压力等级二；4-6n范围内为压力等级三；6n范围以上为压力等级4；

3.将上述七个等级分别与电刺激控制器输出的1hz，2hz，4hz，8hz，16hz，32hz，64hz频率电流相对应，当测得的压力和关节角度位于上述七个等级之一时，便控制电刺激器相应通道输出相应频率的电流，并且大拇指与刺激通道1对应，食指与刺激通道2对应，中指与刺激通道3对应，无名指与刺激通道4对应，小指与刺激通道5对应。同时当指尖未产生压力时，仅反馈手指关节角度；当指尖产生压力时，仅反馈压力值。以此使用者得知假手上各种信息，形成闭环反馈。

以下结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细的说明：

实施例

参考图1所示结构示意图，本系统通过布置在假手正面五指上的光纤传感器1实时测量假手指关节角度和指尖压力，将其转换成光电信号，传输至信号解调器2，信号解调器2将光电信号经过解码转换成角度和压力值，再通过蓝牙将各值传输到电刺激控制器7，电刺激控制器通过蓝牙模块接收各指关节角度和指尖压力值，经过预定的映射关系，电刺激控制器产生特定刺激频率的恒定电流，经过固定于袖带6上的正负电极，刺激使用者的上肢大臂。

袖带绑在使用者上肢大臂上，使用者在上肢大臂上可感受到不同频率的电流刺激，而同时使用者根据感受到的刺激频率，通过预定的映射关系识别出假手指关节角度和指尖压力，使得使用者可以及时调整对假肢的控制，以此达到对假肢的闭环控制。

图2是电极在袖带中的固定位置，电极分为正负电极，分别接电刺激控制器输出通道的正负端，电刺激控制器的每个输出通道与对应与上下分布的一对正负电极连接，从左到右分别对应通道1到通道5。当袖带绑在使用者上肢大臂上时，正负电极沿上肢大臂轴向分布，在上肢大臂周向上为等间距分布。

光纤传感器1固定于假手正面的五指上，随手指弯曲而变形，同时随受到的压力变化而产生变形，这些变形会使得光纤传感器传输到信号解调器的光信号发生变化，经信号解调器可将这种变化解调成实际的假手指尖关节角度和指尖压力，以此测得假手指尖压力和手指关节角度。当信号解调器得到实际压力和角度值之后，信号解调器会通过蓝牙模块将测得的假手指尖压力与手指关节角度发送到电流刺激器，其信息的编码格式如下：

1.蓝牙通信以2字节即16位为一个单位，高8位为第1字节，低8位为第2字节。

2.若压力值为0，则仅发送假手指角度数值；若压力值不为0，则仅发送假手指尖压力数值；

3.若传输数值为压力值，则第1字节高4位值为0001；若传输数值为角度值，则第1字节高4位为0010；

4.若传输数值为大拇指相关数值，则第1字节低4位0001；若传输数值为食指相关数值，则第1字节低4位0010；若传输数值为中指相关数值，则第1字节低4位0011；若传输数值为无名指相关数值，则第1字节低4位0100；若传输数值为小指相关数值，则第1字节低4位0101；

5.若传输数值为角度值，则第2字节数值为实际角度值；若传输数值为压力值，则第2字节数值为实际压力值乘以100，即

实际压力值＝传输数值*0.1

以上即为传输编码模式。

参考图3是电刺激控制器结构图。该系统包括电源模块、蓝牙模块、控制器模块、数模转换模块、压控恒流源模块、电流极性转变模块和限流保护模块。控制器通过spi与数模转换模块通信设置输出电压，该电压输出至压控恒流源模块控制输出一定幅值的电流，接着将电流输出至极性转换模块，用于改变电流的极性，再经过限流保护模块限制输出电流幅值，确保使用安全，最后将特定频率电流输出到电极，并刺激使用者上肢大臂。电刺激控制器各模块具体功能如下：

1.电源模块用于将输入电源转换成各个模块需要的额定电压的电源，该模块使用8v锂电池作为输入电源，同时包含两个升压单元和降压单元，降压单元通过asm117-3.3v芯片将8v电源转换成3.3v电源，升压模块使用两个xl6019芯片将8v的电源分别转换成15v和40v的电源给各模块供电。

2.控制器模块主要用于控制电流极性转变和控制输出电压大小，该模块使用stm32f405rg芯片作为主控芯片，连接数模转换模块和电流极性控制模块，通过spi与数模转换模块通信，设置数模转换模块的输出电压；通过设置引脚输出不同pwm波至电流极性模块来控制输出电流极性。

3.数模转换模块使用ad5721r芯片，主要用于将从控制器发出的数字信号转换成实际的模拟电压信号，用于压控恒流源模块控制输出电流大小。

4.压控恒流源模块使用wilson恒流源电路，将数模转换模块的输出电压，转换成恒定的电流输出。参考图4，该电路是个对称电路，t0，t1，t2为三个参数相同的pnp三极管，t3是npn三极管，t4是运算放大器，iload等于ir1。三极管接电源模块输出的40v恒定电压，而运算放大器接电源模块输出的15v电压。运算放大器使用lm358芯片，运算放大器正相端接从数模转换模块接入的恒定电压值，负相端与t3的发射极连接，输出端与t3基极连接，ir1＝dac输入电压/r1，则iload＝ir1＝dac输入电压/r1，进而实现压控恒流源输出控制。

5.极性转换模块使用adg5421选通芯片，通过改变通道选通来改变电流的极性。参考图5是极性转换模块电路图。芯片1引脚1作为输出正极，芯片2引脚1作为输出负极，压控恒流源模块的输出连接到芯片1的2引脚和芯片2的8引脚，芯片1的8引脚和芯片2的2引脚连接到地，芯片1和2的6引脚连接到stm32f405的pwm输出引脚，使用pwm来控制电流输出极性。当6引脚输出的pwm为低电平时，电流从out_1流向out_2；当6引脚为高电平时，电流从out_2流向out_1，进而实现对电流极性的控制。

6.限流保护模块用于控制输出电流幅值，使用36v/50ma的ptc自恢复电流丝贴片与输出串联，起保护作用。

7.蓝牙模块使用hc-06模块，主要作用是用于接收传感器测得的假手指尖压力和手指关节角度，并根据接收到的压力与角度值控制电刺激控制器输出不同刺激频率的电流。

在已经完成电刺激硬件系统基础上，设计控制流程。电流刺激系统主要是根据信号解调器传输来的各指压力和角度来做决策，输出特定频率刺激脉冲，本系统针对容易被人忽略假手指角度信息，联合指尖压力做映射编码，编码步骤如下：

1.电刺激频率选取7个特定频率，以能使使用者区分开这7个不同程度刺激为准，取1hz，2hz，4hz，8hz，16hz，32hz，64hz。

2.对假手指角度做等级划分，假手指的五个指关节的转动范围在0-90°之间，将其划分成三个等级，0-30°范围内为角度等级一；31-60°范围内为角度等级二；61-90°范围内为角度等级三；

3.对假手指尖压力做等级划分，0-2n范围内为压力等级一；2-4n范围内为压力等级二；4-6n范围内为压力等级三；6n范围以上为压力等级4；

4.电刺激控制器有5个刺激通道，通道1对应大拇指；通道2对应食指；通道3对应中指；通道4对应无名指；通道5对应小指。当假手未抓取物品，指尖压力值为0时，电刺激仅针对对应角度值，假手指角度的3个等级分别对应刺激频率的前三个刺激频率；当假手抓取到物品，产生指尖压力时，刺激仅针对对应指尖压力值，假手指尖压力的4个等级分别对应刺激频率的后四个刺激频率。当压力或角度值处于某一等级时，电刺激控制器即输出对应频率电流。

以上为电流刺激频率与实际压力、角度之间编码模式。

参考图6，电刺激控制器上电之后，具体控制流程如下：

1.使能时钟，spi,usart串口,i/o。

2.串口通信判断是否接收到数据，未接收到则继续等待，接收到则进入中断，将接收到的16位数据，即2字节保存，关闭中断；

3.根据接收到的16位数据，

若第1字节低4位数值为1，则该值为大拇指相关数值，对应控制通道1刺激电流参数；

若第1字节低4位数值为2，则该值为大拇指相关数值，对应控制通道2刺激电流参数；

若第1字节低4位数值为3，则该值为大拇指相关数值，对应控制通道3刺激电流参数；

若第1字节低4位数值为4，则该值为大拇指相关数值，对应控制通道4刺激电流参数；

若第1字节低4位数值为5，则该值为大拇指相关数值，对应控制通道5刺激电流参数；

4.根据接收到16位数据，若第一字节高4位数值为1，则该值为压力值，则实际压力值＝接收数据低8位数值*0.1，根据映射关系，划分等级，设定该通道刺激电流频率；若第一字节高4位数值为2，则该值为角度值，则实际角度值＝接收数据低8位数值，根据映射关系，划分等级，设定该通道刺激电流频率，输出电流刺激；

当使用者上肢大臂感受到电流刺激，判断刺激频率的等级以及刺激的通道，即可根据映射关系识别其对应压力或角度等级，即可识别假手的指尖压力和手指关节角度。

本发明针对传统假肢缺少反馈装置而造成使用者心理抵触和假肢控制精度低的缺陷，其优越性在于：

1.针对于传统的假肢缺少反馈装置的问题，本发明提供了一个指尖压力和手指关节角度的反馈装置，使得使用者对假肢的控制更加精确，交互更加自然；

2.本装置可以提升假肢使用者心理感受，减少假肢使用者对假肢的排斥心理，使得假肢的使用更加友好。

3.可提供假手指关节与指尖压力的联合反馈。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的专利保护范围。