多模態(tài)感知反饋智能假肢手—回春妙“手”

長(zhǎng)春理工大學(xué)

劉思成，焦 偉，韓 博

1 作品簡(jiǎn)介

手是人類重要的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行器官之一，人類的大部分日常工作都是由靈巧的雙手獨(dú)立或協(xié)調(diào)完成的，如穿衣、端盤(pán)子、夾菜、刷牙等。人手包含拇指、食指、中指、無(wú)名指和小指五個(gè)手指，具有12個(gè)自由度，在大腦的精細(xì)控制下能靈巧地實(shí)現(xiàn)各種抓握運(yùn)動(dòng)。因而，對(duì)于截肢的患者來(lái)說(shuō)，不僅會(huì)給他們的生活和工作造成巨大不便，更會(huì)給他們的精神和心理帶來(lái)極大的痛苦與煎熬。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的產(chǎn)品只需要患者以圖1所示方式穿戴上假肢手，在未受傷處佩戴臂環(huán)即可使用，不僅能夠在外觀上填補(bǔ)患者缺失的肢體，而且在運(yùn)動(dòng)功能上也盡可能地做到與正常人手一致。智能仿生假手的研究和生產(chǎn)，不僅能促進(jìn)模式識(shí)別、信息感知和智能控制等技術(shù)的進(jìn)步，而且還對(duì)提高廣大截肢者的生活品質(zhì)、增加就業(yè)機(jī)會(huì)、減輕家庭與社會(huì)的負(fù)擔(dān)、增進(jìn)社會(huì)和諧等方面具有極其重要的社會(huì)意義。

圖1 假肢系統(tǒng)整體實(shí)物

2 技術(shù)原理

佩戴者佩戴在手臂上的肌電傳感器采集的sEMG作為假肢手控制信號(hào)的來(lái)源，經(jīng)過(guò)信號(hào)特征提取、模式識(shí)別之后輸入假肢手控制器控制假肢手的動(dòng)作，具體流程如圖2所示。在假肢手進(jìn)行如圖3所示的工作過(guò)程中，假肢手指尖上的力觸覺(jué)傳感實(shí)時(shí)檢測(cè)假肢手的狀態(tài)，并利用力觸覺(jué)反饋技術(shù)將假肢手的狀態(tài)反饋給佩戴者，佩戴者可以根據(jù)感知到的假肢手狀態(tài)及時(shí)調(diào)整控制策略，改善假肢手的控制效果，從而實(shí)現(xiàn)假肢手的可控性和可感性。

圖2 系統(tǒng)工作流程

圖3 假肢手拿螺絲刀示意圖

（1）基于肌電采集傳感器控制的假肢

將PNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法移植到硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)肌電信號(hào)的實(shí)時(shí)分類，對(duì)8種日常動(dòng)作的識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到90%以上。使用如圖4所示的自制肌電采集傳感器采集8路手臂肌電數(shù)據(jù)，對(duì)采集到的肌電信號(hào)進(jìn)行高速的AD轉(zhuǎn)化，使用濾波和降噪算法實(shí)時(shí)處理帶有噪聲的肌電數(shù)據(jù)。對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，將提取的特征輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，得到訓(xùn)練模型后對(duì)肌電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的手勢(shì)識(shí)別并控制假肢做出相應(yīng)動(dòng)作。

圖4 自制肌電信號(hào)采集器

（2）基于溫度和觸滑覺(jué)的感知反饋系統(tǒng)

通過(guò)薄膜壓力傳感器、溫度傳感器和壓電薄膜構(gòu)建完整的假肢感知系統(tǒng)，并通過(guò)震動(dòng)模塊的震動(dòng)刺激、半導(dǎo)體制冷片的溫度制造和假肢指關(guān)節(jié)握緊完成感知反饋系統(tǒng)的搭建，補(bǔ)全肢殘患者的感知缺失，實(shí)現(xiàn)感知再現(xiàn)。

（3）多模態(tài)信息融合的控制系統(tǒng)

控制信號(hào)信息融合過(guò)程中，采用肌電信號(hào)與深度圖像相結(jié)合的方式控制假肢協(xié)調(diào)完成倒水、握手和傳遞等日常動(dòng)作。本假手指尖處具有壓力傳感器，關(guān)節(jié)處具有角度傳感器，通過(guò)各類傳感器采集到的信息實(shí)現(xiàn)對(duì)假肢手的精準(zhǔn)控制，并將傳感器測(cè)量的相關(guān)信息作為反饋信號(hào)輸入到控制器中，實(shí)現(xiàn)對(duì)假肢手的閉環(huán)控制。

（4）基于自學(xué)習(xí)的假肢手控制策略

商業(yè)化的肌電假肢手多為單自由度假肢手，采用一對(duì)肌電傳感器，并將其貼合在佩戴者手臂的一對(duì)拮抗肌上進(jìn)行信號(hào)的測(cè)量，用于識(shí)別佩戴者的動(dòng)作意圖。這種控制模式操作簡(jiǎn)單方便，但實(shí)際應(yīng)用中未充分考慮佩戴者肌電信號(hào)的個(gè)體差異性，給假肢手帶來(lái)了不便；并且不同佩戴者在同一部位測(cè)量得到的肌電信號(hào)強(qiáng)度差異較大，測(cè)量部位不確定同樣會(huì)造成肌電信號(hào)的差異，同一佩戴者在其手臂不同部位測(cè)量得到的肌電信號(hào)也存在差異?；谧詫W(xué)習(xí)的假肢手控制方法可以根據(jù)佩戴者的肌電信號(hào)動(dòng)態(tài)調(diào)整假肢手的控制參數(shù)，使得殘疾人在安裝佩戴假肢手時(shí)無(wú)須進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，就可以在短時(shí)間內(nèi)靈活自如地控制假肢手。

3 市場(chǎng)及應(yīng)用前景

據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2023年我國(guó)康復(fù)醫(yī)療產(chǎn)業(yè)規(guī)模有望超1 000億元，年復(fù)合增長(zhǎng)率超18%。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前全國(guó)有600多家各類假肢生產(chǎn)裝配機(jī)構(gòu)，假肢產(chǎn)品的年產(chǎn)量為6.5萬(wàn)件。按產(chǎn)品的平均壽命為3年計(jì)算，相當(dāng)于只有88.5萬(wàn)具假肢在使用中。這只能滿足930萬(wàn)有配置假肢等輔助器具需求者的9.5%，尚有90.5%的需求者未能使用。由此可見(jiàn)，中國(guó)的假肢產(chǎn)量亟需增加。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人們生活水平的不斷提高，殘疾人的支付能力也日益增強(qiáng)，對(duì)假肢的需求不再局限于笨重的被動(dòng)式假肢，假肢智能化、功能多樣化、性能優(yōu)良化成為現(xiàn)在假肢行業(yè)發(fā)展的目標(biāo)。

由于智能假肢技術(shù)在我國(guó)發(fā)展水平相對(duì)較低，市場(chǎng)人均規(guī)模小、智能假肢生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量少、市場(chǎng)供給缺口大，供給明顯不足。據(jù)悉，我國(guó)智能假肢技術(shù)水平與發(fā)達(dá)國(guó)家存在著較大差距，仍處于亟待開(kāi)發(fā)的狀態(tài)。智能假肢等康復(fù)醫(yī)療器械領(lǐng)域應(yīng)當(dāng)成為醫(yī)療器械發(fā)展的下一個(gè)著力點(diǎn)，市場(chǎng)前景廣闊。