智能假肢手的多模态感知反馈及生机交互训练

发布时间：2020-11-08 19:02

　　 残肢患者手臂的失去,使其同时失去了手部的运动功能和感觉反馈功能。当前国内外假手能在一定程度上帮助残肢患者恢复手部的运动功能,但仍无法有效恢复其感觉反馈功能,包括躯体感觉和触觉。本文研制了一款多通道集成化的电刺激器,为患者提供电触觉反馈。进行了基于电触觉反馈的假手预期抓取力训练研究。最后进行了多模态感觉反馈生机实验。本文首先阐述了课题背景,调查了国内外感觉反馈的研究现状,阐述了各种感觉反馈方式的基本情况,确定了以电刺激反馈为主的技术方案。为了给假手用户提供电触觉反馈,本文首先进行了分时复用预实验,阐述了分时复用的基本原理,并测量了最小刺激脉宽和最小脉宽间隔。并基于分时复用原理研制了一款多通道集成化的电刺激器,电刺激器具备电流检测能力,可实时调节流经人体皮肤表面的电流,保证电刺激感觉的稳定性。为了提高假手用户前馈控制的准确性和稳定性,本文搭建了虚拟假手训练平台,并基于电触觉反馈在虚拟平台上训练受试的预期抓取力。基于电极阵列提出了有效的电触觉反馈策略。经过训练受试可以在一定程度上控制预期抓取力。为了给用户同时提供躯体感觉和触觉的反馈,本文使用振动模块为用户提供假手关节空间位置反馈,使用电刺激器为用户提供抓握力反馈,实验结果表明对于具备振动反馈和电刺激反馈功能的假手,用户能有效进行假手位置控制和力控制,具备实用意义。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：R496;TP273
【部分图文】：

图 1-2 各种感觉反馈示意图2 非侵入式感觉反馈1）振动感觉反馈 这种反馈方式是一种感觉替代反馈，例如将假为振动反馈给用户。振动触觉反馈是研究触觉反馈中最常用的方法以调制振幅、频率、脉冲持续时间和任务周期等参数来传递不同信2 d）即为振动反馈示意图。振动触觉反馈在 1953 年由 Conzelman 等人激触觉反馈相比，它与表面肌电信号的相容性更好。Andrew Erwin 针对一个单自由度的虚拟手臂用三个不同的振动元件组成阵列来进制，结果表明与无反馈模式相比，振动触觉反馈可以准确定位虚拟位置[19]。Camilo 等人针对实际使用肌电假肢的患者设计了虚拟实验离机械触觉和振动触觉反馈假肢信息，结果表明两种触觉反馈均有表现[20]。图 1-3 为商业假手（VINCENTevolution 2），它使用振动感信息[21]。振动触觉反馈具备易于使用，低功耗，尺寸小的优点。2）机械感觉反馈 该技术通常被描述为一个物体垂直对皮肤施加传感器检测到的力，通过图 1-2 e）所示的方式传递给残肢，它也是

图 1-3 带触觉反馈商业假手 INCENTevolution 2 图 1-4 便携式机械触觉反馈装置（3）电刺激感觉反馈 这种感觉反馈方式通过局部电流刺激感觉传入神经梢，来唤起皮肤内的感觉，如图 1-5 所示。电刺激触觉反馈同样可以通过调节振、脉冲波形（双相/单相、正弦波/矩形波）、脉冲频率和持续时间等参数来传递同信息。随着调制参数的不同，被试者可能会感受到刺痛、瘙痒、振动、触摸按压等感觉。但是产生感觉的部位不一定在电刺激电极的正下方，当电极放置传入神经束附近时，产生的感觉可能会沿着神经束而传递。电触觉反馈具有重轻，噪音小的优点。图 1-2 f）为电刺激触觉反馈示意图。电信号是人类神经系内信号传输的载体，电刺激可以直接给皮肤传递电信号来刺激外围神经系统，有可能产生自然的触感[6]。使用电刺激感觉反馈的缺点是其在空间产生的电场对制假肢手的肌电信号会产生干扰[8]。Strahinja Dosen 等人通过实验指出电触觉的度编码优于空间编码[23]。Bo Geng 等人研究了电刺激模式对皮肤感觉阈值的影，并提出了建议[24]。C. Hartmann 等人通过使用阵列电极为用户传递感觉信息[25]图 1-6 所示。

图 1-3 带触觉反馈商业假手 INCENTevolution 2 图 1-4 便携式机械触觉反馈装置（3）电刺激感觉反馈 这种感觉反馈方式通过局部电流刺激感觉传入神经梢，来唤起皮肤内的感觉，如图 1-5 所示。电刺激触觉反馈同样可以通过调节振、脉冲波形（双相/单相、正弦波/矩形波）、脉冲频率和持续时间等参数来传递同信息。随着调制参数的不同，被试者可能会感受到刺痛、瘙痒、振动、触摸按压等感觉。但是产生感觉的部位不一定在电刺激电极的正下方，当电极放置传入神经束附近时，产生的感觉可能会沿着神经束而传递。电触觉反馈具有重轻，噪音小的优点。图 1-2 f）为电刺激触觉反馈示意图。电信号是人类神经系内信号传输的载体，电刺激可以直接给皮肤传递电信号来刺激外围神经系统，有可能产生自然的触感[6]。使用电刺激感觉反馈的缺点是其在空间产生的电场对制假肢手的肌电信号会产生干扰[8]。Strahinja Dosen 等人通过实验指出电触觉的度编码优于空间编码[23]。Bo Geng 等人研究了电刺激模式对皮肤感觉阈值的影，并提出了建议[24]。C. Hartmann 等人通过使用阵列电极为用户传递感觉信息[25]图 1-6 所示。
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本文编号：2875201