姜?dú)w華

摘要：本文簡(jiǎn)略闡述了該課題的研究背景和研究意義，介紹了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，并從傳感器的選擇、觸覺(jué)信號(hào)判斷、軟硬度信號(hào)判斷、滑覺(jué)信號(hào)判斷以及假手握力模糊控制方法幾方面內(nèi)容著手對(duì)基于PSO-SVM的仿生肌電假手反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)分析，旨在為相關(guān)研究人員提供參考。

關(guān)鍵詞：PSO-SVM;仿生肌電假手;系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言：仿生肌電假手的應(yīng)用可以有效突破傳統(tǒng)方法的局限性，實(shí)現(xiàn)對(duì)于物體更加靈活和高效的抓握，但從目前來(lái)看，其在實(shí)際進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中仍面臨著一定的不利因素，基于此，有必要對(duì)其展開(kāi)深層次的探索。

1研究背景及意義

我國(guó)有眾多因?yàn)槭鹿省⒆匀粸?zāi)難以及疾病而截肢的人，相關(guān)調(diào)查研究表明，我國(guó)的殘疾人總數(shù)超過(guò)6000萬(wàn)，并包含著2400萬(wàn)人存在肢體殘疾，其中有著假肢安裝需求的上肢和下肢殘疾者包括800-1000萬(wàn)人。在人體器官中，手是最具靈活性的器官，承擔(dān)著諸多工作，所以那些上肢截肢者在生活工作中面臨著極大的困難。機(jī)械假手的應(yīng)用在重量以及體積方面均存在著較高的要求，與此同時(shí)，其還應(yīng)當(dāng)具備良好的靈活性和簡(jiǎn)潔性特征，能夠高質(zhì)量地代替人手完成日常操作。針對(duì)其所進(jìn)行的研究中最為關(guān)鍵的便在于如何使得機(jī)械假手能夠按照人的意愿進(jìn)行動(dòng)作，相關(guān)研究人員和技術(shù)人員在假手控制方面采用多種控制信號(hào)進(jìn)行了嘗試，例如聲音、機(jī)械運(yùn)動(dòng)和肌電信號(hào)等。

而肌電信號(hào)在操作方面有著較為簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，并且不會(huì)對(duì)人體造成極大程度的損傷，是現(xiàn)如今機(jī)械夾手控制方面較常應(yīng)用的信號(hào)源。皮表的肌電電場(chǎng)的組成包括多個(gè)運(yùn)動(dòng)單元收縮時(shí)電效應(yīng)，表面肌電信號(hào)主要指的是用表面電極所提取的肌電信號(hào)。它同肌肉本身所具有的功能狀態(tài)以及活動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)之間存在著一定程度的內(nèi)在聯(lián)系，所以可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于神經(jīng)肌肉活動(dòng)的反映。對(duì)于肌電信號(hào)來(lái)說(shuō)，其中涉及到極為豐富的信息，能夠起到有效識(shí)別肌肉收縮模式以及強(qiáng)度的作用。但是從實(shí)際情況來(lái)看，肌電信號(hào)本身有著相對(duì)較微弱和容易受到干擾的特點(diǎn)，這便為識(shí)別肌電信號(hào)造成了阻礙。肌電控制指的是提取肌電信號(hào)的有用信息進(jìn)行模式識(shí)別應(yīng)用在外界控制中的技術(shù)，當(dāng)前在外骨骼以及價(jià)值等領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)其的廣泛應(yīng)用[1]。

2PSO-SVM基礎(chǔ)上的仿生肌電假手反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)探究

2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

其系統(tǒng)總體的組成主要包含三部分內(nèi)容，分別為假手控制、上位機(jī)離線分析系統(tǒng)以及信號(hào)采集模塊。該系統(tǒng)能夠高質(zhì)量提取仿生肌電假手握拳以及張開(kāi)動(dòng)作的肌電信號(hào)，并用過(guò)對(duì)于基于粒子群優(yōu)化的支持向量機(jī)算法，針對(duì)手部動(dòng)作展開(kāi)精準(zhǔn)的識(shí)別工作，與此同時(shí)還要在線進(jìn)行對(duì)于肌電假手實(shí)際動(dòng)作的有效控制。假手在對(duì)物體進(jìn)行抓握的時(shí)候，將會(huì)利用設(shè)置于手指上的傳感器組對(duì)物體的具體硬度以及滑覺(jué)信息進(jìn)行采集，與此同時(shí)還會(huì)針對(duì)相應(yīng)的滑覺(jué)信號(hào)展開(kāi)響應(yīng)等經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的工作，在其中實(shí)現(xiàn)對(duì)于模糊邏輯控制的引入，這樣一來(lái)便能夠在面對(duì)不同物體的時(shí)候根據(jù)其在硬度以及滑度等多方面存在的特殊性進(jìn)行掌握，進(jìn)而達(dá)到握力的自適應(yīng)調(diào)節(jié)效果，便可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)于多感知反饋控制的落實(shí)。

2.2控制策略

2.2.1傳感器的選擇

傳感器的選擇是肌電假手控制的重要內(nèi)容之一，若想提升其“軟抓取”功能的實(shí)效性，應(yīng)當(dāng)對(duì)肌電假手的具體抓握要求產(chǎn)生更加全面的考慮和認(rèn)識(shí)，優(yōu)化選擇有著較強(qiáng)的過(guò)載能力以及較寬的動(dòng)態(tài)范圍，并且靜態(tài)滑動(dòng)信號(hào)響應(yīng)比較快的壓阻式傳感器RFP602作為其滑覺(jué)傳感器。與此同時(shí)，在軟硬度傳感器的選擇方面，應(yīng)當(dāng)盡可能選擇有機(jī)壓電材料聚偏氟乙（PVDF），這主要是由于其有著較高的測(cè)量靈敏度以及壓電系數(shù)。同時(shí)其在質(zhì)地方面相對(duì)柔軟，重量輕，所以還有著耐沖擊的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)也切實(shí)展現(xiàn)出了作為軟硬度傳感器的較高的應(yīng)用價(jià)值。具體應(yīng)當(dāng)在肌電假手的手指內(nèi)側(cè)位置對(duì)其進(jìn)行高質(zhì)量的貼裝工作。

2.2.2觸覺(jué)信號(hào)判斷

當(dāng)肌電假手同物體產(chǎn)生接觸的時(shí)候，將會(huì)使得PVDF壓電傳感器在受力的情況下產(chǎn)生變形，進(jìn)而出現(xiàn)電荷，而電荷在放大之后，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)有著較大幅值的電壓脈沖信號(hào)。在實(shí)際進(jìn)行判斷的過(guò)程中應(yīng)當(dāng)針對(duì)其在不同物體的抓握接觸方面的各方面實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)相應(yīng)的觸覺(jué)閾值進(jìn)行科學(xué)合理的選取，進(jìn)而在此基礎(chǔ)上展開(kāi)觸覺(jué)判斷，若是PVDG壓點(diǎn)傳感的信號(hào)要比觸覺(jué)閾值xa要大時(shí)，便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于假手同物體之間接觸的判斷。

2.2.3軟硬度信號(hào)判斷

對(duì)于物體的屬性來(lái)說(shuō)，物體的軟硬度是其較為關(guān)鍵的內(nèi)容之一，從本質(zhì)上來(lái)看，物體的軟硬度主要指的是，其在受到外界壓力的時(shí)候其本身所具有的抵抗變形的能力。當(dāng)采用相同的速度對(duì)不同的物體進(jìn)行抓握的時(shí)候，有著較大形變的物體便較軟，而形變小的物體便應(yīng)對(duì)較高。PVDF傳感器所產(chǎn)生的壓電信號(hào)同接觸壓力成正比關(guān)系，當(dāng)其同硬度較高的物體產(chǎn)生接觸的時(shí)候，其壓電信號(hào)將會(huì)產(chǎn)生大幅度的上升。通過(guò)對(duì)于傳感器電壓值的累加便能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于物體實(shí)際軟硬度的科學(xué)度量。具體公式如下：

在該公式中代表的是觸覺(jué)閾值，而則指的是信號(hào)采樣值，i和n分別代表的是接觸時(shí)刻以及采樣長(zhǎng)度。

2.2.4滑覺(jué)信號(hào)判斷

在滑覺(jué)信號(hào)判斷方面，當(dāng)物體產(chǎn)生滑動(dòng)的時(shí)候，壓阻傳感器便會(huì)形成一定的高頻摩擦振動(dòng)信號(hào)，但其所具有的幅值相對(duì)較小，若是單純從時(shí)域中提取滑動(dòng)信號(hào)的特征，采用閾值選擇的方式便會(huì)導(dǎo)致其產(chǎn)生一定程度的誤判現(xiàn)象。在時(shí)頻域上采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法提取滑覺(jué)信號(hào)的特征，該方法的應(yīng)用相對(duì)于其它方法來(lái)說(shuō)，有著更加良好的自適應(yīng)、直接以及直觀性，由此可見(jiàn)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法有著極強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解是一種新型的信號(hào)處理方法，其在應(yīng)用的過(guò)程中主要是逐級(jí)對(duì)信號(hào)中所存在的各個(gè)不同尺度下產(chǎn)生的波動(dòng)進(jìn)行分解，這樣一來(lái)便會(huì)產(chǎn)生一系列的特征模態(tài)函數(shù)，其所具有的特征尺度均存在不同。在面臨非平穩(wěn)的滑動(dòng)信號(hào)的時(shí)候，采用EMD方法所獲取的各階IMF分量都能夠呈現(xiàn)出較為平穩(wěn)的特點(diǎn)，主要是立足于滑動(dòng)信號(hào)自身的特征時(shí)間尺度達(dá)到分解信號(hào)的效果，其并不存在固定的奇函數(shù)，自適應(yīng)強(qiáng)，在此基礎(chǔ)上所獲得的每一個(gè)IMF都有著突出的物理意義，可以將其滑動(dòng)的實(shí)際過(guò)程展現(xiàn)出來(lái)[2]。

2.2.5假手握力模糊控制方法

上肢健全的人在對(duì)物體進(jìn)行正常抓握的時(shí)候，通常情況下為了確保抓握的穩(wěn)定性，會(huì)向那些有著更強(qiáng)剛度的物體進(jìn)行更大握力的施加，而針對(duì)那些較軟的物體則只需要施加較小的握力。針對(duì)肌電假手的抓握行為構(gòu)建起相應(yīng)的握力模糊控制器，如圖1所示。

在模糊控制器的輸入端實(shí)現(xiàn)對(duì)于物體硬度量以及滑動(dòng)程度量的引入，而輸出變量則是其需要加載的握力F。當(dāng)加載力F產(chǎn)生變化的時(shí)候，便可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行合理控制，使其能夠達(dá)到更加良好的抓握力效果。

結(jié)論：綜上所述，該方式的應(yīng)用能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)于人抓握方式的模擬，同時(shí)其能夠展現(xiàn)出良好的適應(yīng)性，在進(jìn)行抓握的時(shí)候可以達(dá)到更加精確和及時(shí)的相應(yīng)控制效果，高質(zhì)量完成相應(yīng)的控制任務(wù)。該系統(tǒng)的應(yīng)用能夠有效提升仿生肌電假手的應(yīng)用效果，對(duì)于機(jī)械假手領(lǐng)域的發(fā)展有著積極的促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄧志鵬，李新偉，肖藝璇，等.一種動(dòng)力型髖離斷假肢控制系統(tǒng)研究[J].中華物理醫(yī)學(xué)與康復(fù)雜志，2021，43（5）：454-460.

[2]周恩至，張翼，鄧華.肌電假肢手抓握力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2020，39（9）：94-96，100.