RU2762766C1 - System and method of electromechanical prosthesis control - Google Patents
System and method of electromechanical prosthesis control Download PDFInfo
- Publication number
- RU2762766C1 RU2762766C1 RU2021103646A RU2021103646A RU2762766C1 RU 2762766 C1 RU2762766 C1 RU 2762766C1 RU 2021103646 A RU2021103646 A RU 2021103646A RU 2021103646 A RU2021103646 A RU 2021103646A RU 2762766 C1 RU2762766 C1 RU 2762766C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- prosthesis
- electromechanical
- actuator
- controller
- receiver
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 18
- 210000003205 muscle Anatomy 0.000 claims abstract description 28
- 210000002435 tendon Anatomy 0.000 claims abstract description 22
- 238000007920 subcutaneous administration Methods 0.000 claims abstract description 14
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 12
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 7
- 210000004003 subcutaneous fat Anatomy 0.000 claims description 6
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 4
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 2
- 210000003484 anatomy Anatomy 0.000 claims 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 5
- 238000010801 machine learning Methods 0.000 description 5
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 5
- 238000000149 argon plasma sintering Methods 0.000 description 4
- 210000003414 extremity Anatomy 0.000 description 4
- 210000001087 myotubule Anatomy 0.000 description 4
- 206010033675 panniculitis Diseases 0.000 description 4
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 3
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 3
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 230000000004 hemodynamic effect Effects 0.000 description 2
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 2
- 210000001364 upper extremity Anatomy 0.000 description 2
- 210000000707 wrist Anatomy 0.000 description 2
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 239000005557 antagonist Substances 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000008280 blood Substances 0.000 description 1
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 description 1
- 238000005056 compaction Methods 0.000 description 1
- 238000012258 culturing Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 238000007477 logistic regression Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000000513 principal component analysis Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 210000004304 subcutaneous tissue Anatomy 0.000 description 1
- 238000012549 training Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- 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
-
- 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)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Vascular Medicine (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Human Computer Interaction (AREA)
- Cardiology (AREA)
- Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
- Transplantation (AREA)
- Prostheses (AREA)
Abstract
Description
Группа изобретений относится к области медицинской техники в сфере протезирования, а именно к системам управления электромеханическим протезом, и может быть использована в медицинской промышленности. The group of inventions relates to the field of medical technology in the field of prosthetics, namely to control systems for an electromechanical prosthesis, and can be used in the medical industry.
Известны система и способ управления электромеханическим протезом, при этом система содержит модуль управления электромеханическим протезом с контроллером и интерфейсом для подключения исполнительного устройства электромеханического протеза и излучателя и приемника, выполненными с возможностью обмена данными, а способ заключается в том, что контроллер определяет относительную интенсивность света, отраженного от кожного покрова пользователя электромеханического протеза на основании сигнала, полученного от приемника, и преобразования этого показателя в дискретные управляющие сигналы для исполнительного механизма электромеханического протеза [WO0245621A2, дата публикации 13.06.2002 г., МПК: A61F2/54; A61F2/68; A61F2/58]. A system and method for controlling an electromechanical prosthesis are known, wherein the system comprises a control module for an electromechanical prosthesis with a controller and an interface for connecting an actuator of an electromechanical prosthesis and an emitter and receiver configured to exchange data, and the method consists in the fact that the controller determines the relative light intensity, reflected from the skin of the user of the electromechanical prosthesis based on the signal received from the receiver, and converting this indicator into discrete control signals for the actuator of the electromechanical prosthesis [WO0245621A2, publication date 06/13/2002, IPC: A61F2 / 54; A61F2 / 68; A61F2 / 58].
Известны система и способ управления электромеханическим протезом, при этом система содержит модуль управления электромеханическим протезом с контроллером и интерфейсом для подключения исполнительного устройства электромеханического протеза и излучателя и приемника, выполненными с возможностью обмена данными, а способ заключается в том, что контроллер определяет относительную интенсивность света, отраженного от поверхности конечности пользователя электромеханического протеза на основании сигнала, полученного от приемника, и преобразования этого показателя в прерывающиеся сигналы активации исполнительного механизма электромеханического протеза [US2013184539A1, дата публикации 18.07.2013 г., МПК: A61B5/00; A61B5/04; A61B5/0488]. A system and method for controlling an electromechanical prosthesis are known, wherein the system comprises a control module for an electromechanical prosthesis with a controller and an interface for connecting an actuator of an electromechanical prosthesis and an emitter and receiver configured to exchange data, and the method consists in the fact that the controller determines the relative light intensity, reflected from the surface of the limb of the user of the electromechanical prosthesis based on the signal received from the receiver, and converting this indicator into intermittent activation signals of the actuator of the electromechanical prosthesis [US2013184539A1, publication date 07/18/2013, IPC: A61B5 / 00; A61B5 / 04; A61B5 / 0488].
Особенностью рассматриваемых технических решений является то, что они, в основном, основывают управление протеза на гемодинамическом состоянии мышечной ткани, для чего необходимо расположить датчики в непосредственной близи к целевой мышце, вследствие чего возможны ложные срабатывания исполнительного механизма электромеханического протеза, либо наоборот – отсутствие срабатываний в нужный момент, что существенным образом ухудшает показатели эффективности системы в целом.A feature of the considered technical solutions is that they mainly base the control of the prosthesis on the hemodynamic state of muscle tissue, for which it is necessary to place the sensors in close proximity to the target muscle, as a result of which false alarms of the actuator of the electromechanical prosthesis are possible, or vice versa - the absence of triggering in the right moment, which significantly worsens the performance indicators of the system as a whole.
В качестве прототипа выбраны система и способ управления электромеханическим протезом, при этом система содержит модуль управления электромеханическим протезом с контроллером и интерфейсом для подключения исполнительного устройства электромеханического протеза и излучателя и приемника, выполненными с возможностью обмена данными, а способ заключается в том, что контроллер определяет относительную интенсивность света, рассеянного в мышечных тканях конечности пользователя электромеханического протеза на основании сигнала, полученного от приемника, и преобразования этого показателя в дискретные управляющие сигналы для исполнительного механизма электромеханического протеза [CN103610443A, дата публикации 05.03.2020 г., МПК: A61F2/58; A61F2/68]. A system and a method for controlling an electromechanical prosthesis were selected as a prototype, while the system contains a control module for an electromechanical prosthesis with a controller and an interface for connecting an actuator of an electromechanical prosthesis and an emitter and receiver made with the ability to exchange data, and the method consists in the fact that the controller determines the relative the intensity of light scattered in the muscle tissues of the limb of the wearer of the electromechanical prosthesis based on the signal received from the receiver and converting this indicator into discrete control signals for the actuator of the electromechanical prosthesis [CN103610443A, published 03/05/2020, IPC: A61F2 / 58; A61F2 / 68].
Недостатком прототипа и известных технических решений является низкая точность управления электромеханическим протезом на основе гемодинамического состояния мышечной ткани, поскольку управляющие сигналы хоть и обеспечивают низкую величину ложных срабатываний, но при этом они основаны только на состоянии мышечных волокон. Другим недостатком прототипа и существующих технических решений является то, что управляющие сигналы протеза дискретны, что наделяет электромеханический протез возможностью выполнения только ограниченного набора команд, при этом не всегда имеется возможность получения сигналов именно от мышечных волокон ввиду большой вариативности при формировании культи пользователя протеза. Вследствие этого становится невозможным выполнение пользователем точных действий, требующих тонкой моторики электромеханического протеза или плавного управления, что существенно сказывается на эффективности управления электромеханическим протезом. The disadvantage of the prototype and the known technical solutions is the low control accuracy of the electromechanical prosthesis based on the hemodynamic state of the muscle tissue, since the control signals, although they provide a low number of false positives, are based only on the state of the muscle fibers. Another disadvantage of the prototype and existing technical solutions is that the control signals of the prosthesis are discrete, which endows the electromechanical prosthesis with the ability to execute only a limited set of commands, while it is not always possible to receive signals precisely from muscle fibers due to the great variability in the formation of the stump of the user of the prosthesis. As a result, it becomes impossible for the user to perform precise actions that require fine motor skills of an electromechanical prosthesis or smooth control, which significantly affects the efficiency of control of an electromechanical prosthesis.
Техническая проблема, на решение которой направлена группа изобретений, заключается в повышении эффективности управления электромеханическим протезом. The technical problem to be solved by the group of inventions is to increase the efficiency of control of an electromechanical prosthesis.
Технический результат, на достижение которого направлена группа изобретений, заключается в повышении точности управляющих сигналов модуля управления электромеханическим протезом. The technical result to be achieved by the group of inventions is to improve the accuracy of the control signals of the control module for the electromechanical prosthesis.
Сущность первого изобретения из группы изобретений заключается в следующем. The essence of the first invention from the group of inventions is as follows.
Система управления электромеханическим протезом содержит модуль контроллер управления электромеханическим протезом, интерфейс для подключения исполнительного устройства электромеханического протеза и излучателя и приемника, выполненными с возможностью обмена данными, при этом контроллер выполнен с возможностью определения относительной интенсивности света, рассеянного в мышечных тканях пользователя электромеханического протеза на основании сигнала, полученного от приемника, его преобразования в управляющие сигналы для исполнительного механизма электромеханического протеза и передачу управляющего сигнала на интерфейс для подключения исполнительного устройства электромеханического протеза. В отличие от прототипа контроллер управления электромеханическим протезом выполнен с возможностью преобразования относительных изменений, ассоциированных с подкожными перемещениями сухожилий и кожного покрова пользователя электромеханического протеза, в полученном от приемника сигнале, в градуальные управляющие сигналы для исполнительного устройства электромеханического протеза и передачи этих управляющих сигналов на интерфейс для подключения исполнительного устройства электромеханического протеза. The control system for an electromechanical prosthesis contains a controller module for controlling an electromechanical prosthesis, an interface for connecting an actuator of an electromechanical prosthesis and an emitter and receiver configured to exchange data, while the controller is configured to determine the relative intensity of light scattered in the muscle tissues of the user of the electromechanical prosthesis based on the signal received from the receiver, its transformation into control signals for the actuator of the electromechanical prosthesis and transmission of the control signal to the interface for connecting the actuator of the electromechanical prosthesis. Unlike the prototype, the controller for controlling the electromechanical prosthesis is configured to convert the relative changes associated with the subcutaneous movements of the tendons and the skin of the user of the electromechanical prosthesis, in the signal received from the receiver, into gradual control signals for the actuator of the electromechanical prosthesis and transmit these control signals to the interface for connection of the actuator of the electromechanical prosthesis.
Сущность второго изобретения из группы изобретений заключается в следующем. The essence of the second invention from the group of inventions is as follows.
Способ управления электромеханическим протезом включает получение сигнала от приемника через интерфейс, определение контроллером управления электромеханическим протезом относительной интенсивности света, рассеянного в мышечных тканях пользователя электромеханического протеза, на основании сигнала, полученного от приемника, преобразование контроллером этого сигнала в управляющий сигнал для исполнительного устройства электромеханического протеза, и передачу этого сигнала контроллером на исполнительный механизм электромеханического протеза через интерфейс. В отличие от прототипа контроллером управления электромеханическим протезом на основании сигнала, полученного от приемника, осуществляется преобразование относительных изменений, ассоциированных с подкожными перемещениями сухожилий и кожного покрова пользователя электромеханического протеза, в градуальные управляющие сигналы для исполнительного устройства электромеханического протеза и осуществляется их передача от контроллера управления электромеханическим протезом на интерфейс для подключения исполнительного механизма электромеханического протеза. A method for controlling an electromechanical prosthesis includes receiving a signal from a receiver through an interface, determining by a controller for controlling an electromechanical prosthesis of the relative intensity of light scattered in the muscle tissues of a user of an electromechanical prosthesis, based on a signal received from a receiver, converting this signal by the controller into a control signal for an actuator of an electromechanical prosthesis, and transmission of this signal by the controller to the actuator of the electromechanical prosthesis via the interface. In contrast to the prototype, the controller for controlling the electromechanical prosthesis, based on the signal received from the receiver, converts the relative changes associated with the subcutaneous movements of the tendons and skin of the user of the electromechanical prosthesis into gradual control signals for the actuator of the electromechanical prosthesis and transfers them from the controller for controlling the electromechanical prosthesis on the interface for connecting the actuator of the electromechanical prosthesis.
В качестве целевых структур и тканей для получения сигналов от приемника выступают сухожилия и кожный покров пользователя электромеханического протеза, а также может выступать подкожная жировая ткань. Основным принципом работы является то, что в результате механического перемещения прилежащих мышечных волокон, целевые структуры и ткани могут изменять свои физические и оптические свойства, из-за чего общая светопроницаемость также будет изменяться. Например, при механическом натяжении в результате активности мышц антагонистов кожный покров и подкожная жировая ткань могут уменьшить толщину, вследствие чего общая светопроницаемость будет увеличиваться и соответственно увеличиваться интенсивность рассеянного света. И, наоборот, при напряжении и уплотнении мышечной ткани и прилегающих кожных покровов светопроницаемость будет уменьшаться за счет увеличения светорассеяния и соответственно интенсивность света будет также уменьшаться, что приводит к снижению интенсивности сигнала приемника. The target structures and tissues for receiving signals from the receiver are the tendons and skin of the wearer of the electromechanical prosthesis, and subcutaneous adipose tissue can also act. The basic principle of operation is that as a result of mechanical movement of adjacent muscle fibers, target structures and tissues can change their physical and optical properties, due to which the overall light transmission will also change. For example, under mechanical tension as a result of the activity of the antagonist muscles, the skin and subcutaneous adipose tissue may decrease in thickness, as a result of which the overall light transmission will increase and, accordingly, the intensity of the scattered light will increase. And, conversely, with tension and compaction of muscle tissue and adjacent skin, the light transmission will decrease due to an increase in light scattering and, accordingly, the light intensity will also decrease, which leads to a decrease in the receiver signal intensity.
Макроскопические перемещения подкожных структур, в частности сухожилий, в значительной степени изменяют светопроницаемость за счет своей оптической плотности. Так, перемещение сухожилий в сторону приложения излучателя и приемника будет уменьшать светопроницаемость, и, наоборот, создание полостей под излучателем и приемником будет увеличивать светопроницаемость и увеличивать интенсивность света, что соответственно увеличит интенсивность сигнала от приемника. Macroscopic movements of subcutaneous structures, in particular tendons, significantly alter light transmission due to their optical density. Thus, the movement of the tendons towards the application of the emitter and receiver will decrease the light transmission, and, conversely, the creation of cavities under the emitter and the receiver will increase the light transmission and increase the light intensity, which will accordingly increase the signal intensity from the receiver.
Такой подход обеспечивает возможность управления контроллером электромеханическим протезом за счет изменения интенсивности света путем учета состояния не только мышечной ткани, но и положения сухожилий в подкожном покрове, а также состояния самого кожного покрова. Благодаря тому, что данные компоненты имеют монотонные зависимости от интенсивности мышечной активности, полученный контроллером динамический диапазон изменения сигнала с приемника с учетом всех его параметров позволяет в дальнейшем осуществить его преобразование в градуальные управляющие сигналы для исполнительного устройства электромеханического протеза. This approach allows the controller to control an electromechanical prosthesis by changing the light intensity by taking into account the state of not only muscle tissue, but also the position of the tendons in the subcutaneous tissue, as well as the state of the skin itself. Due to the fact that these components have monotonic dependences on the intensity of muscle activity, the dynamic range of changes in the signal from the receiver obtained by the controller, taking into account all its parameters, makes it possible to further transform it into gradual control signals for the actuator of the electromechanical prosthesis.
Контроллер управления электромеханическим протезом может быть представлен интегральной схемой или микросхемой со специализированным программным обеспечением, которая обеспечивает возможность определения на основании полученного от приемника сигнала не только относительной интенсивности света, рассеянного в мышечных тканях пользователя, но и интенсивности рассеянного света в примыкающих к мышечным тканям сухожилиях и кожном покрове пользователя электромеханического протеза. Эти параметры, ассоциированные с мышечной активностью, могут обладать непрерывной монотонной зависимостью от состояния самой мышечной ткани. The controller for controlling an electromechanical prosthesis can be represented by an integrated circuit or a microcircuit with specialized software, which provides the ability to determine, based on the signal received from the receiver, not only the relative intensity of light scattered in the user's muscle tissues, but also the intensity of the scattered light in the tendons adjacent to the muscle tissues and the skin of the user of the electromechanical prosthesis. These parameters associated with muscle activity can have a continuous monotonic dependence on the state of the muscle tissue itself.
Контроллер для осуществления градуального управления электромеханическим протезом может быть выполнен с возможностью анализа спектра сигнала на основе мощности осцилляций в полученном от приемника сигнале. Использование гармонически модулированного излучения, например, синусоиды, позволяет расширить признаковое пространство на амплитудные и фазовые характеристики. Контроллер для этого может содержать средство анализа спектра сигнала, поступающего от приемника, которое позволяет выделить в сигнале отдельные синусоиды и разделить полученный сигнал на составляющие.The controller for gradual control of the electromechanical prosthesis can be configured to analyze the signal spectrum based on the oscillation power in the signal received from the receiver. The use of harmonically modulated radiation, for example, a sinusoid, makes it possible to expand the feature space by amplitude and phase characteristics. For this, the controller may contain means for analyzing the spectrum of the signal coming from the receiver, which allows you to select individual sinusoids in the signal and divide the received signal into components.
Способ анализа спектра сигнала может быть реализован как программно на контроллере, так и аппаратно, с использованием интегральных микросхем. The method for analyzing the signal spectrum can be implemented both in software on the controller and in hardware using integrated microcircuits.
Контроллер может содержать средство дифференциального измерения сигнала, поступающего от парного приемника оптического излучения, которое обеспечивает возможность усиления или уменьшения отдельных компонент в этом сигнале. Например, для усиления вклада от компоненты оптического сигнала, связанного с перемещением глубоких подкожных структур, по сравнению с компонентой, связанной с изменением состояния подкожного жирового слоя, анализируемый сигнал будет представлять разницу между показаниями приемников, расположенных вдалеке и вблизи от одного и того же излучателя. The controller may include means for differential measurement of the signal from the paired optical radiation receiver, which allows amplification or reduction of individual components in this signal. For example, to enhance the contribution from the component of the optical signal associated with the movement of deep subcutaneous structures, compared with the component associated with a change in the state of the subcutaneous fat layer, the analyzed signal will represent the difference between the readings of receivers located far and near the same emitter.
Дополнительно контроллер может содержать средства для выполнения алгоритмов машинного обучения, на основе которых им может быть построена математическая модель управления электромеханическим протезом. Также математическая модель управления электромеханическим протезом может быть построена с применением алгоритмов машинного обучения на стороннем устройстве и может быть загружена в контроллер. Данная модель может быть предварительно обучена на данных, полученных в процессе полуавтоматической калибровки электромеханического протеза за счет выполнения пользователем определенных наборов целевых движений. В зависимости от модели машинного обучения, контроллер может передавать, как градуальные, так и дискретные управляющие команды. Без ограничения общности, математическая модель управления протезом может описывать не только статическое состояние протеза, как, например, абсолютный угол сгибания кисти протеза, но и динамическое, например, направление и скорость сгибания кисти протеза. Additionally, the controller can contain means for executing machine learning algorithms, on the basis of which it can build a mathematical model for controlling an electromechanical prosthesis. Also, a mathematical model for controlling an electromechanical prosthesis can be built using machine learning algorithms on a third-party device and can be loaded into the controller. This model can be pre-trained on the data obtained in the process of semi-automatic calibration of the electromechanical prosthesis due to the user performing certain sets of target movements. Depending on the machine learning model, the controller can transmit both gradual and discrete control commands. Without loss of generality, the mathematical model of the prosthesis control can describe not only the static state of the prosthesis, such as the absolute angle of flexion of the prosthesis hand, but also the dynamic one, for example, the direction and rate of flexion of the prosthesis hand.
Для осуществления всех операций система содержит интерфейс для подключения приемника, обеспечивающий возможность передачи сигнала в контроллер, интерфейс для подключения исполнительного устройства электромеханического протеза и интерфейс для подключения питания, либо элемент питания. При этом интерфейсы могут быть представлены любыми известными электрическими соединителями и могут быть подключены к контроллеру посредством монтажа на одной плате, либо любыми другими известными способами проводной и беспроводной передачи данных. To carry out all operations, the system contains an interface for connecting a receiver, which provides the ability to transmit a signal to a controller, an interface for connecting an actuator of an electromechanical prosthesis and an interface for connecting a power supply, or a battery. In this case, the interfaces can be represented by any known electrical connectors and can be connected to the controller by mounting on one board, or by any other known methods of wired and wireless data transmission.
Группа изобретений может быть выполнена из известных материалов с помощью известных средств, что свидетельствует о ее соответствии критерию патентоспособности «промышленная применимость».The group of inventions can be made from known materials using known means, which indicates its compliance with the criterion of patentability "industrial applicability".
Группа изобретений характеризуется ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, отличающейся тем, что: The group of inventions is characterized by a set of essential features previously unknown from the prior art, characterized in that:
–– контроллером осуществляется преобразование относительных изменений, ассоциированных с подкожными перемещениями сухожилий в полученном от приемника, сигнале, что позволяет учитывать состояние не только мышечной ткани, но и положения сухожилия в подкожном покрове, а также состояния самого кожного покрова, в том числе и подкожного жирового слоя, благодаря чему обеспечивается широкий динамический диапазон относительной интенсивности рассеянного света для управления электромеханическим протезом. –– the controller transforms the relative changes associated with the subcutaneous movements of the tendons in the signal received from the receiver, which makes it possible to take into account the state of not only muscle tissue, but also the position of the tendon in the subcutaneous covering, as well as the state of the skin itself, including the subcutaneous adipose tissue. layer, which provides a wide dynamic range of the relative intensity of the scattered light for the control of an electromechanical prosthesis.
–– контроллером осуществляется преобразование полученного сигнала в градуальные управляющие сигналы для исполнительного устройства электромеханического протеза и осуществляется их передача от контроллера на интерфейс для подключения исполнительного механизма электромеханического протеза, что позволяет постепенно воздействовать на положение исполнительного устройства электромеханического протеза. –– the controller converts the received signal into gradual control signals for the actuator of the electromechanical prosthesis and transfers them from the controller to the interface for connecting the actuator of the electromechanical prosthesis, which makes it possible to gradually influence the position of the actuator of the electromechanical prosthesis.
Совокупность существенных признаков группы изобретений обеспечивает возможность получения динамического диапазона относительной интенсивности рассеянного света в мышечных тканях, примыкающих к ним сухожилиях и кожном покрове пользователя, на основании которого контроллер получает градуальные управляющие сигналы для исполнительного устройства электромеханического протеза, что позволяет непрерывно отображать состояние целевых структур конечности пользователя, измеряемое приемником, на исполнительное устройство электромеханического протеза, постепенно воздействуя на его положение. The set of essential features of the group of inventions provides the ability to obtain a dynamic range of the relative intensity of the scattered light in the muscle tissues, adjoining tendons and skin of the user, on the basis of which the controller receives gradual control signals for the actuator of the electromechanical prosthesis, which allows continuous display of the state of the target structures of the user's limb measured by the receiver on the actuator of the electromechanical prosthesis, gradually affecting its position.
Благодаря этому обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении точности управляющих сигналов модуля управления электромеханическим протезом, тем самым повышается эффективность управления электромеханическим протезом. This ensures the achievement of the technical result, which consists in increasing the accuracy of the control signals of the control module for the electromechanical prosthesis, thereby increasing the efficiency of control of the electromechanical prosthesis.
Группа изобретений характеризуется ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, что свидетельствует о ее соответствии критерию патентоспособности «новизна». The group of inventions is characterized by a set of essential features previously unknown from the prior art, which testifies to its compliance with the “novelty” criterion of patentability.
Из уровня техники известно преобразование относительной интенсивности света, рассеянного только в мышечных тканях пользователя электромеханического протеза только в дискретные управляющие команды для исполнительного устройства электромеханического протеза. При этом преобразование относительной интенсивности света, который рассеивается в примыкающих к мышечным тканям сухожилиях и кожных покровах совокупно с преобразованием относительных изменений в полученном сигнале от приемника, ассоциированных с подкожными перемещениями сухожилий и кожных покровов пользователя электромеханического протеза, в градуальные управляющие сигналы для исполнительного устройства электромеханического протеза, из уровня техники не известно. Также из уровня техники неизвестно получение градуальных управляющих сигналов для исполнительного устройства электромеханического протеза на основании широкого диапазона относительной интенсивности света, которое обеспечивает возможность непрерывного отображения состояния конечности пользователя на исполнительное устройство электромеханического протеза. Это свидетельствует о соответствии группы изобретений критерию патентоспособности «изобретательский уровень». It is known from the prior art to convert the relative intensity of light scattered only in the muscle tissues of the wearer of an electromechanical prosthesis only into discrete control commands for the actuator of the electromechanical prosthesis. At the same time, the transformation of the relative intensity of light, which is scattered in the tendons and skin adjacent to the muscle tissues, together with the transformation of the relative changes in the received signal from the receiver, associated with the subcutaneous movements of the tendons and skin of the user of the electromechanical prosthesis, into gradual control signals for the actuator of the electromechanical prosthesis , is not known from the prior art. It is also unknown from the prior art to obtain gradual control signals for an actuator of an electromechanical prosthesis based on a wide range of relative light intensity, which allows continuous display of the state of the user's limb on the actuator of an electromechanical prosthesis. This testifies to the compliance of the group of inventions with the patentability criterion “inventive step”.
Изобретения из группы изобретений связаны между собой и образуют единый изобретательский замысел, который заключается в том, что способ управления электромеханическим протезом реализуется системой управления электромеханическим протезом, что свидетельствует о соответствии группы изобретений критерию патентоспособности «единство изобретения». Inventions from the group of inventions are interconnected and form a single inventive concept, which consists in the fact that the control method for an electromechanical prosthesis is implemented by a control system for an electromechanical prosthesis, which indicates that the group of inventions corresponds to the patentability criterion “unity of invention”.
Группа изобретений поясняется следующими фигурами. The group of inventions is illustrated by the following figures.
Фиг.1 – Система для реализации способа управления электромеханическим протезом, состоящая из модуля управления электромеханическим протезом и инфракрасного оптомиографического датчика с проводными интерфейсами, изометрия, вид сверху. Fig. 1 - A system for implementing a method for controlling an electromechanical prosthesis, consisting of a control module for an electromechanical prosthesis and an infrared optomyographic sensor with wired interfaces, isometric, top view.
Для иллюстрации возможности реализации и более полного понимания сути группы изобретений ниже представлен вариант ее осуществления, который может быть любым образом изменен или дополнен, при этом настоящая группа изобретений ни в коем случае не ограничивается представленным вариантом. To illustrate the possibility of implementation and a more complete understanding of the essence of the group of inventions, an embodiment is presented below, which can be changed or supplemented in any way, while the present group of inventions is by no means limited to the presented embodiment.
Система управления электромеханическим протезом содержит модуль 1 управления протезом, который содержит смонтированные на одной плате контроллер (не показан на фигурах), разъем 2 для подключения исполнительного устройства электромеханического протеза, разъем 3 для подключения оптомиографического датчика с излучателями и приемниками, разъем 4 питания и оптомиографический датчик 5, закрепленный в культеприемной гильзе электромеханического протеза, содержащий пару 6, состоящую из инфракрасного излучателя и приемника инфракрасного излучения, и разъем 7 для подключения к модулю 1 управления протезом.The electromechanical prosthesis control system contains a
К выходу разъема 2 подключено исполнительное устройство в виде шагового электродвигателя электромеханического протеза (не показан на фигурах), а к его входу подключен контроллер. Также контроллер подключен к выходу разъема 3, ко входу которого подключен оптомиографический датчик 5. Также он подключен к выходу разъема 4 питания, ко входу которого подключены положительный и отрицательный выводы источника питания напряжением 12 В. Подключение компонентов внутри модуля 1 управления протезом осуществляется посредством контактных дорожек на плате, а оптомиографического датчика 5 и исполнительного устройства электромеханического протеза к модулю 1 управления – проводами. An actuator in the form of a stepping motor of an electromechanical prosthesis (not shown in the figures) is connected to the output of
Группа изобретений работает следующим образом. The group of inventions works as follows.
Электромеханический протез верхней конечности с установленным и закрепленным внутри его гильзы оптомиографическим датчиком 5 закрепляли на культе верхней конечности пользователя протеза. An electromechanical upper limb prosthesis with an
Пользователь осуществлял активность, направленную на изменение угла раствора кисти руки протеза, что приводило к сокращению как мышечной ткани, так и примыкающих к ней сухожилий в подкожных структурах культи пользователя протеза, а также ее кожного покрова, что фиксировалось приемником инфракрасного излучения пары 6. Сигнал обрабатывался контроллером и определялось светорассеяние света как в мышечной ткани пользователя электромеханического протеза, так и в примыкающих к ней сухожилиях и кожном покрове пользователя электромеханического протеза. The user carried out an activity aimed at changing the angle of the opening of the hand of the prosthesis, which led to contraction of both muscle tissue and adjoining tendons in the subcutaneous structures of the prosthesis user's stump, as well as its skin, which was recorded by the infrared receiver of pair 6. The signal was processed the controller and determined the light scattering of light both in the muscle tissue of the wearer of the electromechanical prosthesis and in the adjoining tendons and skin of the wearer of the electromechanical prosthesis.
При этом, в случае, когда происходило локальное кровенаполнение мышечной ткани, вызванное ее сокращением, происходило увеличение светорассеяния в подкожных структурах и относительная интенсивность, регистрируемая контроллером, изменялась в отрицательном направлении (имела отрицательную величину электрического напряжения). В случае, когда мышечная ткань во время сокращения уменьшала кривизну мышечных волокон, или соответствующие сухожилия отходили от поверхности кожи, то светорассеяние в подкожной структуре и примыкающим к сухожилиям кожным покровам уменьшалось, при этом относительная интенсивность света увеличивалась (имела положительную величину электрического напряжения). In this case, in the case when there was a local blood filling of the muscle tissue caused by its contraction, there was an increase in light scattering in the subcutaneous structures and the relative intensity recorded by the controller changed in the negative direction (had a negative value of the electric voltage). In the case when muscle tissue during contraction reduced the curvature of muscle fibers, or the corresponding tendons moved away from the skin surface, then light scattering in the subcutaneous structure and the skin adjacent to the tendons decreased, while the relative light intensity increased (had a positive value of the electric voltage).
Полученный сигнал относительной интенсивности света использовался контроллером для генерации градуальных управляющих сигналов, которые подавались им на вход разъема 2 и обеспечивали плавное изменение скорости его вращения и динамическое замедление или ускорение изменения угла раствора кисти руки, что позволяло выполнять операции, требующие от пользователя электромеханического протеза тонкой моторики в его действиях. The obtained signal of the relative light intensity was used by the controller to generate gradual control signals, which were fed to it at the input of
Использование алгоритмов машинного обучения при работе с оптическими сигналами может быть реализовано следующим образом, но не ограничено им. Во время калибровки на экране монитора с интервалом в пять секунд отображается одно из двух движений в случайном порядке: сгибание кисти протеза или разгибание кисти протеза. Во время выполнения движений оптические сигналы пользователя записываются на внешнее устройство хранения для дальнейшего анализа. При анализе полученных сигналов строится математическая модель динамического управления протезом, с использованием анализа главных компонент и логистических регрессий. Выводом из математической модели является функция активации, лежащая в диапазоне от -1 до +1, в которую заложено направление перемещения кисти («минус» для сгибания, «плюс» для разгибания) и скорость перемещения, где «0» - отсутствие движения, «1» - самое быстрое движение. После калибровки, анализа сигналов и обучения модели, ее параметры записываются в контроллер для дальнейшего использования. Таким образом, с помощью алгоритмов машинного обучения обеспечивается преобразование относительных изменений, ассоциированных с подкожными перемещениями сухожилий, в полученном от приемника сигнале, в градуальные управляющие сигналы для исполнительного механизма электромеханического протеза. The use of machine learning algorithms when working with optical signals can be implemented as follows, but is not limited to them. During calibration, the monitor screen displays one of two random movements at intervals of five seconds: flexion of the prosthesis wrist or extension of the prosthesis wrist. During movements, the user's optical signals are written to an external storage device for further analysis. When analyzing the received signals, a mathematical model of the dynamic control of the prosthesis is constructed using principal component analysis and logistic regressions. The conclusion from the mathematical model is the activation function, lying in the range from -1 to +1, which includes the direction of movement of the hand (“minus” for flexion, “plus” for extension) and the speed of movement, where “0” is no movement, “ 1 "- the fastest movement. After calibration, signal analysis and training of the model, its parameters are written to the controller for further use. Thus, using machine learning algorithms, it is possible to convert the relative changes associated with subcutaneous tendon movements, in the signal received from the receiver, into gradual control signals for the actuator of the electromechanical prosthesis.
Таким образом достигался технический результат, заключающийся в повышении точности управляющих сигналов модуля управления электромеханическим протезом, тем самым повышалась эффективность управления электромеханическим протезом.Thus, the technical result was achieved, which consists in increasing the accuracy of the control signals of the electromechanical prosthesis control module, thereby increasing the efficiency of electromechanical prosthesis control.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021103646A RU2762766C1 (en) | 2021-02-15 | 2021-02-15 | System and method of electromechanical prosthesis control |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021103646A RU2762766C1 (en) | 2021-02-15 | 2021-02-15 | System and method of electromechanical prosthesis control |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2762766C1 true RU2762766C1 (en) | 2021-12-22 |
Family
ID=80038992
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2021103646A RU2762766C1 (en) | 2021-02-15 | 2021-02-15 | System and method of electromechanical prosthesis control |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2762766C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2840380C1 (en) * | 2024-07-02 | 2025-05-22 | Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования "Сколковский институт науки и технологий" | System and method of controlling external devices via human-machine interface |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA2332747A1 (en) * | 2001-01-31 | 2001-04-27 | Ilia Vdovenkov | Ultrasonic prosthesis control system |
| WO2002045621A2 (en) * | 2000-12-04 | 2002-06-13 | Inail-Centro Per La Sperimentazione Ed Applicazione Di Protesi E Presidi Ortopedici Per Gli Infortuni Sul Lavoro | Upper extremity prothesis actuated by a sensor using near-infrared spectroscopy |
| CN103610443A (en) * | 2013-11-19 | 2014-03-05 | 上海交通大学 | Near-infrared sensor based muscle group information detection device |
| RU2627818C1 (en) * | 2016-03-15 | 2017-08-11 | Сергей Игоревич Щукин | Method of bionic control of technical devices |
| KR20200085053A (en) * | 2019-01-04 | 2020-07-14 | 유성림 | Bionic prosthesis controlled by motion sensor focused on tendon gliding |
-
2021
- 2021-02-15 RU RU2021103646A patent/RU2762766C1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002045621A2 (en) * | 2000-12-04 | 2002-06-13 | Inail-Centro Per La Sperimentazione Ed Applicazione Di Protesi E Presidi Ortopedici Per Gli Infortuni Sul Lavoro | Upper extremity prothesis actuated by a sensor using near-infrared spectroscopy |
| WO2002045621A3 (en) * | 2000-12-04 | 2002-10-10 | Inail Ct Per La Sperimentazion | Upper extremity prothesis actuated by a sensor using near-infrared spectroscopy |
| CA2332747A1 (en) * | 2001-01-31 | 2001-04-27 | Ilia Vdovenkov | Ultrasonic prosthesis control system |
| CN103610443A (en) * | 2013-11-19 | 2014-03-05 | 上海交通大学 | Near-infrared sensor based muscle group information detection device |
| RU2627818C1 (en) * | 2016-03-15 | 2017-08-11 | Сергей Игоревич Щукин | Method of bionic control of technical devices |
| KR20200085053A (en) * | 2019-01-04 | 2020-07-14 | 유성림 | Bionic prosthesis controlled by motion sensor focused on tendon gliding |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2840380C1 (en) * | 2024-07-02 | 2025-05-22 | Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования "Сколковский институт науки и технологий" | System and method of controlling external devices via human-machine interface |
| RU236967U1 (en) * | 2025-04-10 | 2025-09-02 | Общество с ограниченной ответственностью "МОТОРИКА" | Control unit for bionic prosthesis |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6201469B2 (en) | Biological information processing apparatus and biological information processing method | |
| US20170028563A1 (en) | Autonomous robot using data captured from a living subject | |
| US12272268B2 (en) | Immersive ankle rehabilitation training method and electronic apparatus based on upper limb motion signals | |
| CN106955090B (en) | Pulse feeling device, gas detection device, pulse simulating device and traditional Chinese medicine diagnosis and treatment system | |
| US12447338B2 (en) | Electrical stimulation device and electrical stimulation method | |
| Gonzalez-Vargas et al. | Human-machine interface for the control of multi-function systems based on electrocutaneous menu: application to multi-grasp prosthetic hands | |
| Ye et al. | An adaptive method for gait event detection of gait rehabilitation robots | |
| RU2762766C1 (en) | System and method of electromechanical prosthesis control | |
| Lin et al. | Tremor class scaling for Parkinson disease patients using an array x-band microwave Doppler-based upper limb movement quantizer | |
| Aaron et al. | Comparison of an EMG-controlled prosthesis and the normal human biceps brachii muscle | |
| Wei et al. | Muscle activation visualization system using adaptive assessment and forces-EMG mapping | |
| CN120260824B (en) | Abnormal gait intervention and correction method, music generation method, device, system, equipment and medium | |
| US11112781B2 (en) | Training an autonomous robot using previously captured data | |
| CN111110268A (en) | Human body muscle sound signal prediction method based on random vector function connection network technology | |
| Tileylioğlu et al. | Application of neural based estimation algorithm for gait phases of above knee prosthesis | |
| JP2015139516A (en) | Biological information measuring device | |
| Yang et al. | Design of the human surface electromyogra signal acquisition system and signal analysis | |
| KR101911506B1 (en) | Virtual brainwave generator and simulation apparatus for controlling external assisting equipment for brain signal-based three dimensional upper limb movement and method thereof | |
| KR20200125045A (en) | Apparatus and method for measuring blood pressure | |
| Yilmaz et al. | Gait motion simulator for kinematic tests of above knee prostheses | |
| Dechenaud et al. | Development of adapted guitar to improve motor function after stroke: Feasibility study in young adults | |
| CN112965595A (en) | Modeling and predicting method for simulating touch by nerve electrical stimulation | |
| Zhao et al. | Real-Time Gait Phase Estimation Based on Multi-Source Flexible Sensors Fusion | |
| Wang et al. | Comparison of forward and reverse decoding methods of knee joint moments based on sEMG | |
| Ermolov et al. | The Sensitivity Adjustment Technique within the Exoskeleton Control System |