基于单片机的电子假手控制系统研究
作者：安宇鹏 胡天培
单位：上海交通大学，上海200030
关键词：再造信号源；数字编码；单片机
现代康复991045
[摘要]目的：研究单片机在5自由度电子假手的控制系统中的应用。方法：应用手臂残端信号源再造技术，采用数字编码的方法使患者输入的动作指令尽量简化，并编制相应软件由单片机完成输入、识别、译码和输出工作。结果：患者输入的长短脉冲能被单片机正确识别，从而实现了5自由度10个动作的迅速准确控制。结论：在电子假手控制系统中应用单片机大大提高了系统的可靠性，并在一定程度上改善了系统的响应速度。
[中图分类号]R496 [文献标识码]A [文章编号]1007-5496(1999)10-1240-02
, 百拇医药
1 引言
目前，世界范围商品化的各类假肢已不下千余种，在假手中以肌电控制假手最受欢迎。肌电控制假手的控制信号源是残肢肌肉，它发放的肌电是人体生物电的一种，能传递大脑信息。用表面电极由肌肤表面检出肌电信号，进行识别和放大处理，成为肌电控制信号，控制假手动作。但是对于多自由度假肢，肌电控制的准确率只能维持在很低的水平，其原因就是控制系统很难在外界众多的干扰信号中分离出控制所需的微弱的肌电信号。
1997年由上海交通大学康复工程研究所胡天培教授主持研制的3自由度电子假手取得了巨大成功。胡教授与中科院陈中伟院士合作，利用显微外科的最新成果，将受试者的脚趾移植到前臂残端，经过康复训练，成为能准确传递大脑信息的信号源，从根本上解决了抗干扰的难题，使假肢控制准确度提高到100%。为了尽量减少患者的痛苦，目前陈中伟院士正在致力于“局部带血管神经肌与/或腱移植构成信号源”的研究，使之能够代替再造“指”准确传递大脑指令。本课题在采用上述再造信号源的基础上，应用工业控制中占有重要地位的单片微型计算机，对5自由度电子假手控制系统作更深入的研究。
, http://www.100md.com
2 假手控制系统分析
多自由度电子假手控制系统通常采用开关量的编码去控制相应电动机转动来实现假手动作过程的控制。对前臂残肢者提供的假手一般可分为单自由度2状态、2自由度4状态与3自由度6状态的控制方式。3自由度假手受试者的“再造指”经过康复训练，能够操纵两个开关，可组合成多组代码，分别控制6种动作。而对于上臂残肢者，要求有5个自由度10状态的控制，以完成指的开合、腕的屈伸与旋转(前、后)、臂的曲伸与旋转(正、反)的控制。如果不移植脚趾，只利用断肢残端的肌腱，就会大大减轻病人的痛苦，而对控制系统却提出了更高的要求。因为目前再造信号源只能根据大脑的指令完成一维收缩运动来带动假手的输入机构形成输入信号，因而输入信息量减少了一半，患者须连续输入一定位数的二进制代码来提供控制信息。
对于5自由度10个动作的编码，至少需要4位二进制数来表示，如表1所示。
表1 5自由度10个动作输入输出编码 动作序号
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动作
输入信息代码
输出动作指令
前五位
后五位
1
手指张开
0000
00001
00000
2
手指闭合
0001
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00001
3
手腕伸
0010
00010
00000
4
手腕屈
0011
00010
5
手腕旋前
0100
, http://www.100md.com
00100
00000
6
手腕旋后
0101
00100
7
前臂伸
0110
01000
00000
8
前臂曲
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0111
01000
9
前臂旋内
1000
10000
00000
10
前臂旋外
1001
10000
输入信号每四位二进制数表示1个动作。相同关节的相反动作，如手腕伸和手腕屈，只有最后1位数字相反，以便于使用者记忆。输入的4位信号经译码后得到输出指令。输出指令的前5位构成5只电机的选通信号，并驱动选中电机所在通道的控制继电器动作；后5位决定电机的转动状态，根据输入的第4位控制被选通的电机正转或反转。
, 百拇医药
3 基于单片机的控制系统工作原理
3.1 输入信号的识别 由于再造信号源只完成一维拉伸动作，可使肌腱的长时间收缩和短促收缩分别代表“0”和“1”信号。系统先将长短收缩转化成长短脉冲，再根据脉冲长度翻译成“0”、“1”信号。患者输入信号脉冲的长短由该脉冲内包含标准计数脉冲的数目来表示。原理框图如图1所示。计数脉冲数目超过门限值就代表“1”，否则就代表“0”。
图1 信号识别原理
本系统采用Intel公司的MCS-51系列单片机，片内含有两个计数/定时器，可方便的对外界输入的脉冲计数。输入脉冲的上升沿和下降沿分别控制计数器的启、停，计数结果大于标准数值就输出“1”，反之输出“0”。标准脉冲可利用单片机内部时钟或由555构成的多谐振荡器来提供。
, 百拇医药
3.2 编码位数记录及译码输出 编码位数的记录参考了程控交换技术中的拨号原理。设置一个计数器来检测编码位数，每接收1位编码计数器加1，同时把编码写入存储器的指定地址。输满4位，系统就执行1次译码操作。
译码可以通过添加子程序和查表两种方法来实现，本课题采用了查表的方法，即事先就将动作指令固化在程序存储器中，以使用者输入的4位编码作为地址进行查表，读出10位指令代码后输出到执行机构，选通相应的电机并控制电机正转或反转。动作完成后，系统复位，重又进入查询等待状态。整个控制系统流程图如图2所示。
图2 控制系统流程图
3.3 组合动作的设计 正常人手的动作实际上都是组合动作，如果一套假手系统能够对常见的组合动作实现准确灵活的控制，无疑会给使用者带来极大方便，同时也标志着假肢技术又上了一个新台阶。组合动作的设计需要在日常生活中认真观察人手的运动状态，总结出最常见动作的分解动作及其先后次序。例如拿桌上的1杯水就可分解为如下的若干分解动作：先要完成1次手臂伸的动作，让手臂先伸出去；让手腕保持适当的状态，即完成1次腕的屈伸动作及旋转动作；再要完成手指的开合动作。
, 百拇医药
用数字逻辑电路来实现上述组合动作将是十分复杂的，而借助于单片机则只需增加一个处理组合动作的子程序而已，而且还可以在执行过程中增加输入指令来对各个分解动作分别控制，达到更满意的效果。组合动作的具体设计及编码将另文详述。
4 总结与展望
单片微处理器在工业控制领域早已得到广泛应用，但将之应用在假肢技术领域尚属首次。本系统充分利用了单片机逻辑功能强、指令丰富以及运行速度高的特点，大大提高了系统的稳定性和可靠性，并为人工智能、模糊控制等假肢仿真技术的发展奠定了基础，具有极其广阔的发展前景。
[基金项目]国家自然科学基金资助项目(39570211)
[作者简介]安宇鹏(1975-)，河北省秦皇岛市人，男，在读研究生。
参考文献
[1]徐惠民，安德宁.单片微型计算机原理、接口、应用[M].北京:北京邮电学院出版社,1997.262
[2]胡天培.外动力假肢.康复医学理论与实践[M].上海:上海科学技术出版社,1999.156
[3][荷]胡宏基.程控交换技术[M].北京:人民邮电出版社,1990.332
[4]胡天培,陈中伟.手臂残端再造指控制的电子假手研究[J].中国生物医学工程学报，1997,(2):142～146
[收稿日期]1999-03-25, 百拇医药
单位：上海交通大学，上海200030
关键词：再造信号源；数字编码；单片机
现代康复991045
[摘要]目的：研究单片机在5自由度电子假手的控制系统中的应用。方法：应用手臂残端信号源再造技术，采用数字编码的方法使患者输入的动作指令尽量简化，并编制相应软件由单片机完成输入、识别、译码和输出工作。结果：患者输入的长短脉冲能被单片机正确识别，从而实现了5自由度10个动作的迅速准确控制。结论：在电子假手控制系统中应用单片机大大提高了系统的可靠性，并在一定程度上改善了系统的响应速度。
[中图分类号]R496 [文献标识码]A [文章编号]1007-5496(1999)10-1240-02
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1 引言
目前，世界范围商品化的各类假肢已不下千余种，在假手中以肌电控制假手最受欢迎。肌电控制假手的控制信号源是残肢肌肉，它发放的肌电是人体生物电的一种，能传递大脑信息。用表面电极由肌肤表面检出肌电信号，进行识别和放大处理，成为肌电控制信号，控制假手动作。但是对于多自由度假肢，肌电控制的准确率只能维持在很低的水平，其原因就是控制系统很难在外界众多的干扰信号中分离出控制所需的微弱的肌电信号。
1997年由上海交通大学康复工程研究所胡天培教授主持研制的3自由度电子假手取得了巨大成功。胡教授与中科院陈中伟院士合作，利用显微外科的最新成果，将受试者的脚趾移植到前臂残端，经过康复训练，成为能准确传递大脑信息的信号源，从根本上解决了抗干扰的难题，使假肢控制准确度提高到100%。为了尽量减少患者的痛苦，目前陈中伟院士正在致力于“局部带血管神经肌与/或腱移植构成信号源”的研究，使之能够代替再造“指”准确传递大脑指令。本课题在采用上述再造信号源的基础上，应用工业控制中占有重要地位的单片微型计算机，对5自由度电子假手控制系统作更深入的研究。
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2 假手控制系统分析
多自由度电子假手控制系统通常采用开关量的编码去控制相应电动机转动来实现假手动作过程的控制。对前臂残肢者提供的假手一般可分为单自由度2状态、2自由度4状态与3自由度6状态的控制方式。3自由度假手受试者的“再造指”经过康复训练，能够操纵两个开关，可组合成多组代码，分别控制6种动作。而对于上臂残肢者，要求有5个自由度10状态的控制，以完成指的开合、腕的屈伸与旋转(前、后)、臂的曲伸与旋转(正、反)的控制。如果不移植脚趾，只利用断肢残端的肌腱，就会大大减轻病人的痛苦，而对控制系统却提出了更高的要求。因为目前再造信号源只能根据大脑的指令完成一维收缩运动来带动假手的输入机构形成输入信号，因而输入信息量减少了一半，患者须连续输入一定位数的二进制代码来提供控制信息。
对于5自由度10个动作的编码，至少需要4位二进制数来表示，如表1所示。
表1 5自由度10个动作输入输出编码 动作序号
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动作
输入信息代码
输出动作指令
前五位
后五位
1
手指张开
0000
00001
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2
手指闭合
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手腕伸
0010
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手腕屈
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00010
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手腕旋前
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手腕旋后
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前臂伸
0110
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8
前臂曲
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前臂旋内
1000
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10
前臂旋外
1001
10000
输入信号每四位二进制数表示1个动作。相同关节的相反动作，如手腕伸和手腕屈，只有最后1位数字相反，以便于使用者记忆。输入的4位信号经译码后得到输出指令。输出指令的前5位构成5只电机的选通信号，并驱动选中电机所在通道的控制继电器动作；后5位决定电机的转动状态，根据输入的第4位控制被选通的电机正转或反转。
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3 基于单片机的控制系统工作原理
3.1 输入信号的识别 由于再造信号源只完成一维拉伸动作，可使肌腱的长时间收缩和短促收缩分别代表“0”和“1”信号。系统先将长短收缩转化成长短脉冲，再根据脉冲长度翻译成“0”、“1”信号。患者输入信号脉冲的长短由该脉冲内包含标准计数脉冲的数目来表示。原理框图如图1所示。计数脉冲数目超过门限值就代表“1”，否则就代表“0”。
图1 信号识别原理
本系统采用Intel公司的MCS-51系列单片机，片内含有两个计数/定时器，可方便的对外界输入的脉冲计数。输入脉冲的上升沿和下降沿分别控制计数器的启、停，计数结果大于标准数值就输出“1”，反之输出“0”。标准脉冲可利用单片机内部时钟或由555构成的多谐振荡器来提供。
, 百拇医药
3.2 编码位数记录及译码输出 编码位数的记录参考了程控交换技术中的拨号原理。设置一个计数器来检测编码位数，每接收1位编码计数器加1，同时把编码写入存储器的指定地址。输满4位，系统就执行1次译码操作。
译码可以通过添加子程序和查表两种方法来实现，本课题采用了查表的方法，即事先就将动作指令固化在程序存储器中，以使用者输入的4位编码作为地址进行查表，读出10位指令代码后输出到执行机构，选通相应的电机并控制电机正转或反转。动作完成后，系统复位，重又进入查询等待状态。整个控制系统流程图如图2所示。
图2 控制系统流程图
3.3 组合动作的设计 正常人手的动作实际上都是组合动作，如果一套假手系统能够对常见的组合动作实现准确灵活的控制，无疑会给使用者带来极大方便，同时也标志着假肢技术又上了一个新台阶。组合动作的设计需要在日常生活中认真观察人手的运动状态，总结出最常见动作的分解动作及其先后次序。例如拿桌上的1杯水就可分解为如下的若干分解动作：先要完成1次手臂伸的动作，让手臂先伸出去；让手腕保持适当的状态，即完成1次腕的屈伸动作及旋转动作；再要完成手指的开合动作。
, 百拇医药
用数字逻辑电路来实现上述组合动作将是十分复杂的，而借助于单片机则只需增加一个处理组合动作的子程序而已，而且还可以在执行过程中增加输入指令来对各个分解动作分别控制，达到更满意的效果。组合动作的具体设计及编码将另文详述。
4 总结与展望
单片微处理器在工业控制领域早已得到广泛应用，但将之应用在假肢技术领域尚属首次。本系统充分利用了单片机逻辑功能强、指令丰富以及运行速度高的特点，大大提高了系统的稳定性和可靠性，并为人工智能、模糊控制等假肢仿真技术的发展奠定了基础，具有极其广阔的发展前景。
[基金项目]国家自然科学基金资助项目(39570211)
[作者简介]安宇鹏(1975-)，河北省秦皇岛市人，男，在读研究生。
参考文献
[1]徐惠民，安德宁.单片微型计算机原理、接口、应用[M].北京:北京邮电学院出版社,1997.262
[2]胡天培.外动力假肢.康复医学理论与实践[M].上海:上海科学技术出版社,1999.156
[3][荷]胡宏基.程控交换技术[M].北京:人民邮电出版社,1990.332
[4]胡天培,陈中伟.手臂残端再造指控制的电子假手研究[J].中国生物医学工程学报，1997,(2):142～146
[收稿日期]1999-03-25, 百拇医药