RU2756162C1 - Method and complex for bionic control of technical apparatuses - Google Patents
Method and complex for bionic control of technical apparatuses Download PDFInfo
- Publication number
- RU2756162C1 RU2756162C1 RU2020122201A RU2020122201A RU2756162C1 RU 2756162 C1 RU2756162 C1 RU 2756162C1 RU 2020122201 A RU2020122201 A RU 2020122201A RU 2020122201 A RU2020122201 A RU 2020122201A RU 2756162 C1 RU2756162 C1 RU 2756162C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- control
- unit
- signals
- sensors
- signal
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/05—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves
- A61B5/053—Measuring electrical impedance or conductance of a portion of the body
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
- A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
- A61F2/50—Prostheses not implantable in the body
- A61F2/68—Operating or control means
- A61F2/70—Operating or control means electrical
- A61F2/72—Bioelectric control, e.g. myoelectric
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
- A61F4/00—Methods or devices enabling patients or disabled persons to operate an apparatus or a device not forming part of the body
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Public Health (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- Vascular Medicine (AREA)
- Radiology & Medical Imaging (AREA)
- Pathology (AREA)
- Cardiology (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Transplantation (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Surgery (AREA)
- Human Computer Interaction (AREA)
- Rehabilitation Tools (AREA)
- Measurement And Recording Of Electrical Phenomena And Electrical Characteristics Of The Living Body (AREA)
- Prostheses (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области медицины и медицинской техники, а именно к системам управления различными техническими устройствами, протезами, ортезами, экзоскелетами, игровыми приставками и другими подобными устройствами, и предназначено для управления и взаимодействия с другими электронными устройствами, реабилитации людей с заболеваниями опорно-двигательного аппарата и распознавания действий.The invention relates to medicine and medical technology, namely to control systems for various technical devices, prostheses, orthoses, exoskeletons, game consoles and other similar devices, and is intended for control and interaction with other electronic devices, rehabilitation of people with diseases of the musculoskeletal system and recognition of actions.
В настоящее время с целью улучшения качества жизни и взаимодействия со специальными электротехническими системами применяется все больше биоуправляемых роботизированных систем. При разработке подобных систем ключевым является выбор способа определения типа и параметров выполняемого действия.Currently, in order to improve the quality of life and interact with special electrical systems, more and more bio-controlled robotic systems are used. When developing such systems, the key is the choice of a method for determining the type and parameters of the performed action.
В современных биотехнических системах управления наибольшее распространение получило использование биопотенциалов, в особенности электромиографии - метода исследования биоэлектрических потенциалов, возникающих в скелетных мышцах человека и животных при возбуждении мышечных волокон и регистрации их электрической активности. Известно, что иннервация двигательной единицы - функциональной единицей мышцы, представляющей собой пучок мышечных волокон - приводит к деполяризации мембраны, вследствие чего по мышечным волокнам генерируется и распространяется потенциал действия, вызывающий мышечное сокращение. Сигнал электромиограммы (ЭМГ) представляет собой сумму зарегистрированных игольчатыми или поверхностными электродами потенциалов действия от мышц, вовлеченных в сокращение [De Luca, Carlo (2006), Electromyography. Encyclopedia of Medical Devices and Instrumentation, Second Edition, Volume 3. John Wiley Publisher, pp. 98-109]. Обработка и сегментация, с извлечением информативных признаков, позволяет использовать сигнал электромиограммы для распознавания действий и последующего управления устройствами [Alter, Ralph (1966), Bioelectric Control of Prostheses, Technical Report: Massachusetts Institute of Technology, Research Laboratory of Electronics].In modern biotechnical control systems, the most widespread use of biopotentials, especially electromyography, is a method for studying bioelectric potentials that arise in the skeletal muscles of humans and animals when muscle fibers are excited and their electrical activity is recorded. It is known that innervation of a motor unit - a functional unit of a muscle, which is a bundle of muscle fibers - leads to membrane depolarization, as a result of which an action potential is generated and spreads along the muscle fibers, causing muscle contraction. The electromyogram (EMG) signal is the sum of action potentials from the muscles involved in contraction recorded by needle or surface electrodes [De Luca, Carlo (2006), Electromyography. Encyclopedia of Medical Devices and Instrumentation, Second Edition,
Известен способ электромиографического управления протезами по патенту WO №2012150500, A61F 2/60. A61F 2/68 A61F 2/70, согласно которому на основе электромиографического сигнала с мышцы формируется управляющий сигнал, передаваемый в блок управления и приводящий в действие исполнительный механизм.The known method of electromyographic control of prostheses according to the patent WO No. 2012150500,
Недостатком данного способа, как и всех способов электромиографического управления, является то, что выделение сигналов от конкретной мышцы затруднено, так как из-за аддитивной природы ЭМГ сигнала потенциалы действия с соседних мышц перекрывают друг друга. Другим недостатком является то, что ЭМГ хорошо отражает лишь начало и конец сокращения, но по данному сигналу нельзя судить о типе совершенного движения.The disadvantage of this method, as well as all methods of electromyographic control, is that the selection of signals from a specific muscle is difficult, since due to the additive nature of the EMG signal, action potentials from adjacent muscles overlap each other. Another disadvantage is that EMG reflects well only the beginning and end of contraction, but this signal cannot be used to judge the type of perfect movement.
Частичное решение данного ограничения изложено в «Способе бионического управления техническими устройствами», представленном патентами на изобретение и WO2017160183, А61B 5/0488, A61F 2/54. Суть данного способа бионического управления заключается в получении управляющего электрофизиологического сигнала путем пропускания зондирующего переменного электрического тока через мышцу с использованием поверхностных электродов, и регистрации электрического импеданса, сигнал изменения которого вследствие мышечных сокращений используется в дополнение к ЭМГ сигналу, регистрируемого с тех же электродов. Управляющий сигнал формируется с использованием обоих каналов.A partial solution to this limitation is set forth in the "Method for bionic control of technical devices" presented by patents for invention and WO2017160183,
Указанный выше способ позволяет обеспечить достаточно точное распознавание базовых движений кисти, таких как сгибание-разгибание, схват-раскрытие и обеспечить пропорциональность воспроизведения действия.The above method makes it possible to ensure a sufficiently accurate recognition of basic hand movements, such as flexion-extension, grasp-opening, and to ensure the proportionality of the reproduction of the action.
Однако недостатком данного способа и устройства выбранных в качестве прототипа является чувствительность сигнала биоимпеданса к перекосам электродной системы, изменениям площади контакта “электрод-кожа” и силе прижатия, отсутствие контроля данных параметров может привести к регистрации изменений сигнала биоимпеданса, не связанных с совершением действия, и ошибкам в управлении техническим устройством. Также с использованием только сигналов электрического импеданса и ЭМГ не представляется возможным избежать ложных срабатываний исполнительного механизма в случае выполнении действий более верхней частью конечностью, например, плечом при расположении датчиков на предплечье при ходьбе. Данную проблему возможно решить с использованием инерционных датчиков.However, the disadvantage of this method and device selected as a prototype is the sensitivity of the bioimpedance signal to the distortions of the electrode system, changes in the electrode-skin contact area and the pressing force, the lack of control of these parameters can lead to the registration of changes in the bioimpedance signal that are not associated with the performance of the action, and errors in the management of a technical device. Also, using only electrical impedance and EMG signals, it is not possible to avoid false alarms of the actuator in case of performing actions with the upper part of the limb, for example, with the shoulder when the sensors are located on the forearm while walking. This problem can be solved by using inertial sensors.
Известны методы управления протезами, основанные на использовании различных инерционных датчиков, таких как акселерометр, гироскоп, датчик Холла и др., а также их комбинаций и IMU-сенсоров для формирования управляющих сигналов.Known methods for controlling prostheses based on the use of various inertial sensors, such as an accelerometer, gyroscope, Hall sensor, etc., as well as their combinations and IMU-sensors to generate control signals.
Основным недостатком подобных методов является то, что для распознавания движений пальцами и жестов необходимо использовать специальную “перчатку” и располагать инерционные датчики на каждом пальце, как это реализовано в патенте RU 2670649 C1 G06F 3/01. Что определяет основные ограничения данных систем — это невозможность их применения для реабилитации пациентов с потерей конечности, а также неудобство, обусловленное габаритами конструкции. Также использование датчиков ограничивается распознаванием типов жестов, в которых присутствует кручение, не позволяя распознать движения, в которых отсутствует кручение вдоль оси датчика [Munusamy T. R. Hand Pattern Recognition Using Smart Band // Theses and Dissertations. 2015. Vol. 1126].The main disadvantage of such methods is that in order to recognize finger movements and gestures, it is necessary to use a special “glove” and place inertial sensors on each finger, as is implemented in patent RU 2670649 C1 G06F 3/01. What determines the main limitations of these systems is the impossibility of their use for the rehabilitation of patients with the loss of a limb, as well as the inconvenience caused by the dimensions of the structure. Also, the use of sensors is limited to recognizing types of gestures in which twisting is present, not allowing to recognize movements in which there is no twisting along the axis of the sensor [Munusamy T. R. Hand Pattern Recognition Using Smart Band // Theses and Dissertations. 2015. Vol. 1126].
Датчики Холла позволяют определять угловые перемещения, применяются в протезировании для реализации обратной связи, контроля положения конечности в пространстве и обеспечения проприоцептивного восприятия для пациента [Goršič, M., Kamnik, R., Ambrožič, L., Vitiello, N., Lefeber, D., Pasquini, G., & Munih, M. (2014). Online Phase Detection Using Wearable Sensors for Walking with a Robotic Prosthesis. Sensors, 14(2), 2776–2794]. Однако системы с использованием датчиков магнитного поля подвержены влиянию внешних полей, окружающих носителя устройства, которые могут накладываться на полезный сигнал [Guanglin Li, & Kuiken, T. A. (2008). Modeling of Prosthetic Limb Rotation Control by Sensing Rotation of Residual Arm Bone. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 55(9), 2134–2142].Hall sensors allow you to determine angular displacements, are used in prosthetics to implement feedback, control the position of the limb in space and provide proprioceptive perception for the patient [Goršič, M., Kamnik, R., Ambrožič, L., Vitiello, N., Lefeber, D ., Pasquini, G., & Munih, M. (2014). Online Phase Detection Using Wearable Sensors for Walking with a Robotic Prosthesis. Sensors, 14 (2), 2776-2794]. However, systems using magnetic field sensors are susceptible to external fields surrounding the wearer of the device, which can be superimposed on the desired signal [Guanglin Li, & Kuiken, T. A. (2008). Modeling of Prosthetic Limb Rotation Control by Sensing Rotation of Residual Arm Bone. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 55 (9), 2134-2142].
Настоящее изобретение направлено на решение вышеуказанной технической задачи, а именно на преодоление ограничений связанных с использованием известных методов регистрации движений для задач управления, т.е. обеспечение пропорционального и антропоморфного контроля исполняющего механизма (такого как протез, ортез, экзоскелет, игровая приставка и т.п.), контроля перекосов и силы прижатия регистрирующей электродной системы, определение положения исполняющего механизма в пространстве, определение линейных и угловых перемещений и увеличение информативности получаемых данных, путем комплексирования биопотенциальных (ЭМГ, биоимпеданс), механических (ММГ, IMU) и дополнительных (GPS, RFID, УЗИ, оптический, голос) сигналов.The present invention is aimed at solving the above technical problem, namely, to overcome the limitations associated with the use of known methods of registration of movements for control tasks, i.e. ensuring proportional and anthropomorphic control of the executing mechanism (such as a prosthesis, orthosis, exoskeleton, game console, etc.), control of distortions and pressing force of the recording electrode system, determining the position of the executing mechanism in space, determining linear and angular displacements and increasing the information content of the resulting data by integrating biopotential (EMG, bioimpedance), mechanical (MMG, IMU) and additional (GPS, RFID, ultrasound, optical, voice) signals.
Ожидаемым техническим результатом применения предлагаемого изобретения является повышение эффективности бионического управления техническими устройствами, а именно повышение точности распознавания действий, обеспечение более точного и антропоморфного управления, пропорциональность воспроизведения действий, увеличение количества распознаваемых действий, уменьшение искажений сигналов за счет контроля перекосов электродной системы, а также повышение точности определения положения конечности и/или исполнительного механизма в пространстве.The expected technical result of the application of the proposed invention is an increase in the efficiency of bionic control of technical devices, namely, an increase in the accuracy of recognition of actions, provision of more accurate and anthropomorphic control, proportionality of the reproduction of actions, an increase in the number of recognizable actions, a decrease in signal distortions due to the control of distortions of the electrode system, as well as an increase in the accuracy of determining the position of the limb and / or the actuator in space.
Для достижения этого технического результата предлагается cпособ бионического управления протезами, ортезами, экзоскелетами и игровыми приставками, заключающийся в измерении сигналов, их обработке и формировании управляющего воздействия, в котором производят регистрацию электрофизиологических сигналов электромиограммы (ЭМГ) и электрического импеданса посредством совместной тетраполярной системы электродов, причем для регистрации сигнала электрического импеданса осуществляют пропускание переменного высокочастотного тока через область измерения, а регистрацию механических, инерционных и дополнительных сигналов проводят с помощью соответствующих датчиков, причем все сигналы: электрофизиологические сигналы ЭМГ, электрического импеданса, механомиограмма (ММГ), инерционные сигналы, и дополнительные сигналы регистрируют, обрабатывают и интерпретируют единовременно, причем обработка сигналов проходит в блоке регистрации, а генерация управляющих команд реализуется в блоке формирования управляющего воздействия в режиме реального времени.To achieve this technical result, a method is proposed for bionic control of prostheses, orthoses, exoskeletons and game consoles, which consists in measuring signals, processing them and forming a control action, in which electrophysiological signals of an electromyogram (EMG) and electrical impedance are recorded by means of a joint tetrapolar system of electrodes, and to register an electrical impedance signal, an alternating high-frequency current is passed through the measurement area, and mechanical, inertial and additional signals are recorded using appropriate sensors, and all signals: electrophysiological signals of EMG, electrical impedance, mechanomyogram (MMG), inertial signals, and additional signals are registered, processed and interpreted at the same time, and the signal processing takes place in the registration unit, and the generation of control commands is implemented in the control its impact in real time.
Предлагается способ бионического управления техническими устройствами в котором дополнительным сигналом является сигнал определения местонахождения пациента, который регистрируют с помощью RFID-метки и GPS.A method for bionic control of technical devices is proposed, in which an additional signal is a signal to determine the location of a patient, which is registered using an RFID tag and GPS.
Предлагается способ бионического управления техническими устройствами в котором дополнительным сигналом является сигнал обратной связи и подтверждения факта выполнения команды исполнительным механизмом и определения изменения оптической плотности области измерения при выполнении действия для подачи управляющих команд, причем указанный сигнал регистрируют с помощью оптических датчиков.A method for bionic control of technical devices is proposed, in which an additional signal is a feedback signal and confirmation of the fact of command execution by the actuator and determination of the change in optical density of the measurement area when performing an action for supplying control commands, and this signal is recorded using optical sensors.
Предлагается способ бионического управления техническими устройствами в котором дополнительным сигналом является голосовой сигнал, который регистрируют с помощью микрофона для подачи управляющих голосовых команд оператором посредством произносимой фразы.A method for bionic control of technical devices is proposed, in which an additional signal is a voice signal, which is recorded using a microphone for giving control voice commands by an operator through a pronounced phrase.
Технический результат также достигается комплексом для бионического управления протезами, ортезами, экзоскелетами и игровыми приставками, состоящем из блока датчиков, блока регистрации сигналов и блока реализации управляющих воздействий, в котром блок датчиков включает совместную тетраполярную электродную систему, состоящую из двух токовых электродов и измерительных электродов для регистрации электрофизиологических сигналов ЭМГ и электрического импеданса, датчики силы для регистрации ММГ, инерционные датчики и дополнительные датчики, причем блок регистрации сигналов включает входные усилители, выходы которых подключены к блоку обработки ЭМГ, блоку обработки импеданса и ММГ, входной усилитель, последовательно подключенный к процессору и коммуникатору, блок формирования управляющего воздействия и модем, а блок реализации управляющих воздействий включает последовательно соединенные модем, блок управления и исполнительный блок.The technical result is also achieved by a complex for bionic control of prostheses, orthoses, exoskeletons and game consoles, consisting of a sensor unit, a signal registration unit and a control action implementation unit, in which the sensor unit includes a joint tetrapolar electrode system consisting of two current electrodes and measuring electrodes for registration of electrophysiological signals EMG and electrical impedance, force sensors for registering MMG, inertial sensors and additional sensors, and the signal registration unit includes input amplifiers, the outputs of which are connected to the EMG processing unit, the impedance and MMG processing unit, an input amplifier serially connected to the processor and a communicator, a control action generating unit and a modem, and a control action implementation unit includes a serially connected modem, a control unit and an executive unit.
Предлагается комплекс бионического управления техническими устройствами в котром инерционными датчиками являются гироскоп, акселерометр и датчики Холла.A complex of bionic control of technical devices is proposed, in which inertial sensors are a gyroscope, an accelerometer and Hall sensors.
Предлагается комплекс бионического управления техническими устройствами в котором дополнительными датчиками являются RFID метки, GPS, УЗИ, оптические и голосовые датчики.A complex of bionic control of technical devices is proposed, in which additional sensors are RFID tags, GPS, ultrasound, optical and voice sensors.
Таким образом, в реализуемом способе в качестве электрофизиологических сигналов используются сигнал биоимпеданса, который может быть использован для определения типа совершаемого действия (схват, сгибание, разгибание), и электромиографический сигнал, который может быть использован для регистрации мышечной активности, определения момента начала выполнения действия, а также для реализации пропорционального управления.Thus, in the implemented method, a bioimpedance signal is used as electrophysiological signals, which can be used to determine the type of action performed (gripping, flexion, extension), and an electromyographic signal, which can be used to register muscle activity, determine the moment when the action starts. and also for the implementation of proportional control.
В реализуемом способе в качестве механических сигналов используется механомиографический сигнал, с помощью которого контролируется сила прижатия и перекосы электродной системы, из данного сигнала может быть получена дополнительная информация о совершаемом действии для повышения точности управления.In the implemented method, a mechanomyographic signal is used as mechanical signals, with the help of which the pressing force and distortions of the electrode system are controlled, from this signal additional information can be obtained about the action taken to improve the control accuracy.
В качестве инерционных датчиков используются акселерометр, позволяющий определить факт наличия движения, гироскоп, с помощью которого можно определять и передавать на исполнительный механизм угловые перемещения, датчик Холла используется для определения положения конечности и/или исполнительного механизма в пространстве, для обеспечения проприоцептивного восприятия.An accelerometer is used as inertial sensors, which allows to determine the presence of motion, a gyroscope, with which it is possible to determine and transmit angular displacements to the actuator, a Hall sensor is used to determine the position of a limb and / or an actuator in space, to ensure proprioceptive perception.
В реализуемом способе могут быть использованы дополнительные информационные каналы, соответствующие дополнительным датчикам, таким как RFID-метки и GPS, которые могут быть использованы для определения местонахождения пациента, для сужения спектра возможных управляющих команд, посылаемых на исполнительный механизм, оптические датчики – для реализации обратной связи и подтверждения факта выполнения команды исполнительным механизмом, голосовые датчики – для распознавания голосовых команд.In the implemented method, additional information channels can be used corresponding to additional sensors, such as RFID tags and GPS, which can be used to determine the patient's location, to narrow the range of possible control commands sent to the actuator, optical sensors to implement feedback and confirmation of the fact of the execution of the command by the actuator, voice sensors - for recognizing voice commands.
Для регистрации электрического импеданса согласно нормам электробезопасности предпочтительно использовать ток частотой 100 кГц и амплитудой не выше 10 мА.To register electrical impedance in accordance with electrical safety standards, it is preferable to use a current with a frequency of 100 kHz and an amplitude of not more than 10 mA.
Предпочтительно при этом использовать тетраполярную схему наложения электродов для регистрации сигналов ЭМГ и электрического импеданса. При этом для увеличения эффективности управления следует использовать многоканальное расположение электродных систем.In this case, it is preferable to use a tetrapolar scheme of superposition of electrodes for recording EMG signals and electrical impedance. In this case, to increase the control efficiency, a multichannel arrangement of electrode systems should be used.
Предпочтительно, что весь процесс, начиная с регистрации электрофизиологических, механических и инерционных сигналов и заканчивая генерацией управляющих команд, занимает не более 100 мс.It is preferable that the whole process, starting from the registration of electrophysiological, mechanical and inertial signals and ending with the generation of control commands, takes no more than 100 ms.
Предпочтительно, что в качестве технического устройства используют роботизированные устройства, например, протез, ортез, экзоскелет и т.п., а также мультимедийные устройства.Preferably, robotic devices, for example, prostheses, orthosis, exoskeleton, etc., as well as multimedia devices are used as the technical device.
Фиг.1: схема комплекса бионического управления техническими устройствамиFig. 1: diagram of a complex of bionic control of technical devices
Комплекс бионического управления техническими устройствами включает в себя блок датчиков (1), блок регистрации сигналов (2) и блок реализации управляющих воздействий (3). Блок датчиков (1) включает, но не ограничен, совместную тетраполярную электродную систему, состоящую из токовых электродов (4) и (5), и измерительных электродов для регистрации электрофизиологических сигналов ЭМГ и биоимпеданса (6) и (7), датчиков силы для регистрации ММГ 8, инерционных датчиков 9 (гироскопа, акселерометра и датчика Холла), а в качестве дополнительных датчиков могут быть использованы RFID метки, GPS, УЗИ, оптический сигнал, голос. Блок регистрации сигналов (2) включает входные усилители (11) и (15), выходы которых подключены к блоку обработки ЭМГ (12), блоку обработки импеданса (13) и ММГ (16), входной усилитель (17), последовательно подключенный к процессору (18) и коммуникатору (19), блок формирования управляющего воздействия (20) и модем (21). Блок реализации управляющих воздействий (3) включает модем (22), блок управления (23) и исполнительное устройство (24).The bionic control complex for technical devices includes a sensor unit (1), a signal registration unit (2) and a control action implementation unit (3). The sensor unit (1) includes, but is not limited to, a joint tetrapolar electrode system consisting of current electrodes (4) and (5), and measuring electrodes for recording electrophysiological EMG and bioimpedance signals (6) and (7), force sensors for recording
Высокочастотный зондирующий ток, пропускаемый через мышцу в момент сокращения с помощью токовых электродов (4) и (5), генерируется в источнике тока (10). Напряжение, регистрируемое измерительными электродами (6) и (7) представляет собой сумму синфазной помехи, амплитудно-модулированного сигнала биоимпеданса на частоте 100 кГц и сигнала ЭМГ. Синфазная помеха подавляется входным инструментальным усилителем (11). Сигналы ЭМГ и электрического импеданса разделяются полосовыми фильтрами с динамическими диапазонами, соответствующими динамическим диапазонам сигналов в блоках обработки ЭМГ и импеданса (12) и (13). Механомиографический сигнал регистрируется с помощью датчиков силы, на которые подается опорное напряжение из с источника опорного напряжения (14), проходит через входной усилитель (15) для подавления синфазной помехи. После сигнал с датчиков силы поступает в блок обработки сигнала ММГ (16). Сигналы с инерционных датчиков также поступают на входной усилитель (17), затем производиться их обработка и интерпретация в процессоре (18), который преобразует данные с инерционных датчиков в сигналы ориентации, а коммуникатор (19) предназначен для сопряжения информации от всех инерционных датчиков. Все зарегистрированные сигналы после их обработки поступают в блок формирования управляющего воздействия (20), который включает в себя микроконтроллер с соответствующим ПО, где генерируются управляющие команды, передаваемые через модем (21) на модем (22) блока управления (23), который интерпретирует управляющие команды в манипуляции исполнительного устройства 24 (исполнительного блока(2)).A high-frequency probing current passed through the muscle at the moment of contraction using current electrodes (4) and (5) is generated in a current source (10). The voltage recorded by the measuring electrodes (6) and (7) is the sum of the common-mode noise, the amplitude-modulated bioimpedance signal at a frequency of 100 kHz and the EMG signal. Common mode noise is suppressed by the input instrumentation amplifier (11). The EMG and electrical impedance signals are separated by bandpass filters with dynamic ranges corresponding to the dynamic ranges of signals in the EMG and impedance processing units (12) and (13). The mechanomyographic signal is recorded using force sensors, to which a reference voltage is supplied from a reference voltage source (14), passes through an input amplifier (15) to suppress common-mode noise. After that, the signal from the force sensors enters the MMG signal processing unit (16). The signals from the inertial sensors are also fed to the input amplifier (17), then they are processed and interpreted in the processor (18), which converts the data from the inertial sensors into orientation signals, and the communicator (19) is designed to interface information from all the inertial sensors. All registered signals, after their processing, enter the control action generating unit (20), which includes a microcontroller with the corresponding software, where control commands are generated, transmitted through the modem (21) to the modem (22) of the control unit (23), which interprets the control commands to manipulate the executive device 24 (executive unit (2)).
Следующий пример иллюстрируют изобретение, не ограничивая его по существу.The following example illustrates the invention without limiting it in essence.
Пример 1. Управление экзоскелетомExample 1. Controlling an exoskeleton
Блоки датчиков 1, включающие электродную систему для регистрации электрофизиологических сигналов ЭМГ и биоимпеданса, датчики силы для регистрации ММГ 8, инерционные датчики 9 (гироскоп, акселерометр и датчик Холла) размещаются в проекциях мышц-антагонистов (например, сгибателей-разгибателей кисти) на здоровой руке или на культе (если оператор-инвалид). Оператор напрягает и расслабляет мышцы так же, как при естественных движения сгибания и разгибания. Управляющие электрофизиологические сигналы ЭМГ и импеданса, несущие информацию о степени мышечного сокращения и типе совершенного действия, поступают с измерительных электродов 6 и 7 на входной усилитель 11 и после разделения и фильтрации в блоках обработки ЭМГ и импеданса 12 и 13 поступают в блок формирования управляющего воздействия 20, где комплексируются с сигналом ММГ, несущим информацию о совершенном мышечном движении и силе прижатия, поступающим с датчиков силы 8 и прошедшим через входной усилитель 15 и блок обработки ММГ 16, и сигналом с инерционных датчиков 9, которые интерпретируются и преобразуются в сигналы ориентации в процессоре 18 и объединяются в коммуникаторе 19.
В блоке формирования управляющего воздействия 20 за счет совместного анализа механомиографического сигнала, ЭМГ и импеданса определяется тип совершенного действия (сгибание/разгибание) и формируются соответствующие команды на объект управления (экзоскелет), за счет сигналов с инерционных датчиков формируется обратная связь, осуществляется контроль наличия движения и обеспечивается определение положения частей исполнительного механизма (экзоскелета) и конечностей оператора в пространстве.In the block for generating the
Управляющие команды затем передаются через модем 21 на модем 22 блока управления 23, который интерпретирует управляющие команды в манипуляции исполнительного устройства 24 В качестве исполнительного устройства могут быть роботизированные устройства: протезы, ортезы, экзоскелеты, мультимедийные устройства.The control commands are then transmitted through the
Блок управления может включать себя микроконтроллер, который анализирует все зарегистрированные сигналы одновременно путем анализа их амплитудно-временных и частотных параметров, фазового и форменного анализа, нейронных сетей и т.п. материалов.The control unit can include a microcontroller that analyzes all registered signals simultaneously by analyzing their amplitude-time and frequency parameters, phase and shape analysis, neural networks, etc. materials.
Добавление в описанный выше комплекс для бионического управления третьего механомиографического (ММГ) канала, основанного на неинвазивной оценке нейромышечной активности путем регистрации механических колебаний мышцы, связанных с изменением поперечного сечения мышцы при сокращении, с помощью тензорезисторных датчиков силы. Добавление ММГ датчика к каналу биоимпеданса и каналу ЭМГ позволит не только контролировать параметры регистрации, влияющие на качество биопотенциальных измерений, но и дополнит информацию о совершаемом действии, так как сигналы механомиограммы имеют характерные паттерны изменения для некоторых типов движения, что позволяет использовать их для задач управления [Yungher D, Craelius W. Discriminating 6 grasps using force myography of the forearm // Northeast American Society of Biomechanics (NEASB) Conference. 2007] [Kadkhodayan A., Jiang X., and Menon C. Continuous Prediction of Finger Movements Using Force Myography // Journal of Medical and Biological Engineering. 2016. Vol. 36(4). P. 594–604].Addition of a third mechanomyographic (MMG) channel to the above-described complex for bionic control, based on a non-invasive assessment of neuromuscular activity by recording mechanical muscle vibrations associated with a change in muscle cross-section during contraction using strain-gauge force sensors. Adding an MMG sensor to the bioimpedance channel and the EMG channel will allow not only to control the registration parameters affecting the quality of biopotential measurements, but also add information about the action performed, since the mechanomyogram signals have characteristic patterns of change for some types of movement, which makes it possible to use them for control tasks [Yungher D, Craelius W. Discriminating 6 grasps using force myography of the forearm // Northeast American Society of Biomechanics (NEASB) Conference. 2007] [Kadkhodayan A., Jiang X., and Menon C. Continuous Prediction of Finger Movements Using Force Myography // Journal of Medical and Biological Engineering. 2016. Vol. 36 (4). P. 594-604].
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020122201A RU2756162C1 (en) | 2020-07-05 | 2020-07-05 | Method and complex for bionic control of technical apparatuses |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020122201A RU2756162C1 (en) | 2020-07-05 | 2020-07-05 | Method and complex for bionic control of technical apparatuses |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2756162C1 true RU2756162C1 (en) | 2021-09-28 |
Family
ID=77999824
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020122201A RU2756162C1 (en) | 2020-07-05 | 2020-07-05 | Method and complex for bionic control of technical apparatuses |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2756162C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2830151C1 (en) * | 2023-11-16 | 2024-11-14 | Общество с ограниченной ответственностью "МЕТИЗ ПРОИЗВОДСТВО" | Method for selecting locations of tensoresistors of force-torque sensor of extremity exoprosthesis |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2627818C1 (en) * | 2016-03-15 | 2017-08-11 | Сергей Игоревич Щукин | Method of bionic control of technical devices |
| WO2018022658A1 (en) * | 2016-07-25 | 2018-02-01 | Ctrl-Labs Corporation | Adaptive system for deriving control signals from measurements of neuromuscular activity |
| DE102017217905A1 (en) * | 2017-10-09 | 2019-04-11 | Fachhochschule Lübeck | Orthosis or prosthesis system and method for orthosis or prosthesis control or regulation |
| US20190192371A1 (en) * | 2016-12-22 | 2019-06-27 | Rehab-Robotics Company Ltd. | A Power Assistive Device For Hand Rehabilitation And A Method of Using The Same |
| DE102018205306B3 (en) * | 2018-04-09 | 2019-07-18 | Fachhochschule Lübeck | Orthosis or prosthesis system and method for orthosis or prosthesis control or regulation |
-
2020
- 2020-07-05 RU RU2020122201A patent/RU2756162C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2627818C1 (en) * | 2016-03-15 | 2017-08-11 | Сергей Игоревич Щукин | Method of bionic control of technical devices |
| WO2018022658A1 (en) * | 2016-07-25 | 2018-02-01 | Ctrl-Labs Corporation | Adaptive system for deriving control signals from measurements of neuromuscular activity |
| US20190192371A1 (en) * | 2016-12-22 | 2019-06-27 | Rehab-Robotics Company Ltd. | A Power Assistive Device For Hand Rehabilitation And A Method of Using The Same |
| DE102017217905A1 (en) * | 2017-10-09 | 2019-04-11 | Fachhochschule Lübeck | Orthosis or prosthesis system and method for orthosis or prosthesis control or regulation |
| DE102018205306B3 (en) * | 2018-04-09 | 2019-07-18 | Fachhochschule Lübeck | Orthosis or prosthesis system and method for orthosis or prosthesis control or regulation |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2830151C1 (en) * | 2023-11-16 | 2024-11-14 | Общество с ограниченной ответственностью "МЕТИЗ ПРОИЗВОДСТВО" | Method for selecting locations of tensoresistors of force-torque sensor of extremity exoprosthesis |
| RU236967U1 (en) * | 2025-04-10 | 2025-09-02 | Общество с ограниченной ответственностью "МОТОРИКА" | Control unit for bionic prosthesis |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zhou et al. | Non-invasive human-machine interface (HMI) systems with hybrid on-body sensors for controlling upper-limb prosthesis: A review | |
| CN104107134B (en) | Method and system for upper limb training based on electromyographic feedback | |
| RU2627818C1 (en) | Method of bionic control of technical devices | |
| Gao et al. | Use of advanced materials and artificial intelligence in electromyography signal detection and interpretation | |
| Lange et al. | Classification of electroencephalogram data from hand grasp and release movements for BCI controlled prosthesis | |
| Na et al. | A study on estimation of joint force through isometric index finger abduction with the help of SEMG peaks for biomedical applications | |
| Chen et al. | Sonomyography (SMG) control for powered prosthetic hand: a study with normal subjects | |
| JP7477309B2 (en) | System for identifying information represented by biological signals | |
| CN116983185A (en) | An upper limb function reconstruction system for stroke patients | |
| Lyons et al. | A case study on classification of foot gestures via surface electromyography | |
| RU2673151C1 (en) | Method of bionic control of technical devices | |
| RU2756162C1 (en) | Method and complex for bionic control of technical apparatuses | |
| Son et al. | Detection of muscle activation through multi-electrode sensing using electrical stimulation | |
| Yang et al. | Wrist movement detection for prosthesis control using surface EMG and triaxial accelerometer | |
| Mamikoglu et al. | Elbow joint angle estimation by using integrated surface electromyography | |
| Chan et al. | A review of surface EMG in clinical rehabilitation care systems design | |
| Pecolt et al. | Conversion of bioelectric sEMG signals into analog form for the BLDC motors control | |
| RU2748428C1 (en) | Complex for bionic control of technical devices | |
| Yang et al. | Design of the human surface electromyogra signal acquisition system and signal analysis | |
| Müller et al. | Flex your muscles: EMG-based serious game controls | |
| US20240252329A1 (en) | Method and system for controlling prosthetic device | |
| Fazeli et al. | Hand motion classification using semg signals recorded from dry and wet electrodes with machine learning | |
| Lee et al. | Comparative assessment of wearable surface EMG electrode configurations for biomechanical applications | |
| Harivardhagini | Conversion of Body Muscle Signal to Control a Gripper using Surface Electromyography. | |
| Cecchini | Average threshold crossing validation for functional electrical stimulation applied to surface electromyographic signals |