STM32的肌电假肢手控制

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STM32的肌电假肢手控制

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人手是作为人类生存、劳动的重要工具，在人类的日常生活和工作中都起着非
常重要的作用。因而，对于截肢的患者来说，截肢不仅对他们的生活和工作造成了
巨大的不便，更为他们的精神和心理带来极大的痛苦与煎熬。
据2010年的世界残疾报告，世界残疾人口总数己超过10亿，占到全世界总
人口的1_5070}1}。就我国而言，根据第六次全国人口普查的数据及第二次全国残疾人
抽样调查的结果进行大致推算，截止到2010年末全国残疾人总数会达到8_502万
人，其中肢体残疾达2472万人[2]，占到残疾人总数的29.07070。由于交通事故、先天
缺陷和自然灾害等因素，残疾人总数还在不断增加。
为了让肢体残疾人士获得更好的生活质量以及更好的融入社会，安装假肢是
他们获得功能补偿、状况改善最为直接有效的途径[[3]。假肢作为截肢患者回归正常
生活过程中必不可少的一部分，随着现代科学技术的蓬勃发展，己经成为机械、电
子和医学等多学科交叉的高科技产品[[4]。由于肌电假肢使用表面肌电信号(Surface
Electromyography, sEMG)作为控制信号，而表面肌电信号又直接反映了神经和肌肉
的活动，因而肌电假肢具有直感性强、控制灵活等特点，成为现代假肢手的一个重
要发展方向[fslf6lf}l。目前，虽然许多肌电假肢手己经商业化，且被截肢患者所广泛
使用，但其中很多的假肢手自由度较少，许多产品只能完成简单的张开/闭合运动，
这远远不能截肢患者迫切提高生活质量的需求。同时其动辄十几万的高昂价格，也
让许多上肢残疾者望而却步。所以，尽快研制出高性能、多自由度、低价格的肌电
假肢手，对于提高残疾人的生活质量具有重要的现实意义。

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为了更好的满足截肢患者的使用，尽可能去完成正常手的功能，需要在肌电假
肢手外观设计的拟人化、多自由度、控制方式简单化、感知能力多样化和抓取的稳
定性等方面进行研究[f}lfgl，其技术难点涉及到机器人技术、传感器技术、信号检测
技术、生物医学、智能控制等多个领域[f9l。众多的科研机构和的研究单位的研究人
员为假肢手的研究付出了大量的心血，进行了大量的研究，并取得了许多有价值的
研究成果。高度智能化的肌电假肢手层出不穷，一些技术成熟的假肢手业己商业化
为残疾人的日常生活带来了极大的便利。

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德国的Reihold Reite:公司对于肌电信号控制假肢的相关理论和方法研究开始
较早，并在1948年研发出了可实现闭合和张开运动的第一代肌电假手「1010 20世纪
60年代，德国Otto Bock公司开始了智能假肢相关的研究，并致力于研制出能满足
截肢患者外观及功能两方面需求的智能假肢。Otto Bock公司在196_5年，成功实现
了第一款智能假手系统的商业化，之后又研制出了最早的单自由度肌电假肢手一
SUVA感应手[fiolfiil。其最新产品(米开朗基罗智能仿生肌电手)，将工业自动化领
域的总线技术Axon-Bus用到假肢控制系统当中「i2}，并且可以使用肌电控制的拇指
内收与外展。同时提供多达7种不同的抓取能力和多达6至7公斤的抓握力，可
以有效的帮助用户恢复很多健全的手所具有的功能，如图1.1所示。

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2007年，美国国防部的高级计划研究机构(DARPA)为帮助因为战争而截肢的
军人更好的回归日常生活，花巨资资助启动以研发新一代的假肢为目的的
"Evolutionizing-Prosthetics”研究课题[13][14][15]。整个项目团队由翰霍普金斯大学
和来自世界各地20多个学术科研机构的科研人员组成，阵容十分强大。2014年，
DAPRA的研究员己经研制出全新一代LUKE仿生假肢，LUKE可以一次处理多个
指令，这使它能尽可能的自然运动。DARPA宣称，LUKE假肢能辨别10种不同肌
电信号指令，并且可以完成十分灵巧的手臂和手部动作，同时还配置了握力反馈。
根据对其的早期测试，LUKE己经可以相当灵活的完成日常生活非常精细的动作，
如梳头、开锁等。

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如图1.3所示，是由英国Shadow公司开发的高度智能化的多自由度假肢手，
其五个手指均能独立运动，且具有与一般人手相仿的尺寸。为提升假肢手的运动功
能，为拇指设计了多达五个自由度，为其余每个手指和手腕分别设计了四个自由度、
两个自由度。同时利用霍尔传感器让假肢手具有了柔顺抓取的能力，该传感器不仅
可以对假肢手的关节位置进行反馈，而且可以完成触觉检测[l6]，使其能轻松完成
水杯和灯泡的抓握，如图1.3所示。

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2007年，苏格兰Touch Bionics公司的第一代的i-limb假肢手推出。该款假肢
手能够模仿日常人手完成生活中的各种抓握动作，且具有较高的灵活度「i6}。同时，
假肢手具有_5根两个可以独立运动的关节的手指，并采用了拟人化的外观设计。
2013年，该公司推出了相比第一代假肢手具有拇指自动旋转功能的第二代i-limb
假肢手。2014年，推出的利用3D打印技术制作出来的仿生手i-limb，每根手指都
拥有24种抓握能力，并提供多种控制模式，既可以使用手机应用来控制_5根手指，
也可以通过肌电信号来对其进行控制「m}，如图1.4所示。

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国内的假肢手研究相对较晚，肌电假肢手的研究落后发达国家半个世纪以上。
在上个世纪六十年代末，中国国家科学院生开展了对于肌电假肢手的研究，是我国
最早对于肌电假肢手的研究[ys}。国内科研组织机构在80年代在民政部门的组织规
划下进行了一系列系统的研究生肌电假肢，把肌电假肢的科研工作提高到了更高
的水平。到20世纪末，国内己经有许多的高校和科研单位投入了大量人力和物力
开展对肌电假肢的研究工作「i9}}2o}
清华大学研制了TH-1, TH-2两代肌电假肢手，同时为实现假肢手在抓握过程
中自适应的控制，还为假肢手配置了压觉和滑觉两种传感器。哈尔滨工业大学先后
研制出了三代功能完善的肌电假肢手，在于肌电假肢手的研究上积累大量经验，取
得了许多有意义的研究成果。其与人手尺寸相仿的最新一代假肢手(如图1._5所示)，
采用五台直流伺服电机驱动具五个具有两个关节的的手指。新一代假肢手采用基
于DSP&FPGA结构的模块化嵌入式控制系统进行设计，包括以DSP为控制核心
的手指控制系统和以FPGA为控制核心的手掌控制系统。并在手指内部嵌入了整
个控制系统，包括手指驱动系统、传感器系统和控制系统等。为了实时采集肌电信
号控制假手运动，在其嵌入式控制系统中集成了多路肌电信号采集系统。仿人型假
手在有限的手指空间内集成了检测关节力矩、电机电流、关节位置、指尖触觉以及
指尖温度的传感器[f9l。

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