CN101305940A - 基于pc机及dsp的多自由度肌电假手训练及控制系统 - Google Patents

Abstract

基于PC机及DSP的多自由度肌电假手训练及控制系统，它涉及一种假手控制的肌电信号训练、在线识别平台研究及嵌入式实现的装置，以解决基于向量机建立的肌电模式识别系统还处于实验室的理论分析阶段、没有实际嵌入式应用的问题。显示控制模块用于将来自数据采集卡的肌电信号进行实时绘制并输出，接收来自SVM模式识别模块的模式识别结果，显示肌电信号控制肌电假手的状态；SVM训练模块用于将各模式的肌电信号数据进行训练；SVM模式识别模块用于识别DSP目标板采集的肌电信号；显示控制模块和SVM训练模块运行在PC机操作系统中。本发明建立基于PC机及DSP相结合的肌电假手训练及控制平台，为多模式肌电信号的识别提供一种评估验证以及嵌入式实现装置。

Description

基于PC机及DSP的多自由度肌电假手训练及控制系统

技术领域

本发明涉及一种假手控制的肌电信号训练、在线识别平台研究及嵌入式实现的装置，属于生物信息识别及控制相关领域。

背景技术

肌电假手是一种重新建立人与外界环境可操作性联系的接口，它通过采集人手臂处的肌肉电信号(Electromyography，EMG)作为控制源，经过分析处理及模式识别，用以控制手指完成一些基本操作。这种基于生物信号控制策略的肌电假手的优点是显而易见的，因为其再次利用了人神经肌肉电传导的特性并将其输出至外界环境，对于残疾人的神经康复是相当有益的。

然而，诸如Otto Bock SensorHand等一些商业肌电假手，由于只采用了一至两个自由度，因此在抓取功能性方面表现欠佳，像个简单的夹持器，致使很多残疾人患者不愿意佩戴假手。国外许多研究机构开展了拟人大小的、多功能假手的研究，如意大利Cyberhand、SmartHand，英国i-limb，以及国内机器人技术与系统国家重点实验室的HIT/DLR Prosthetic Hand等。多自由度扩展了假手的灵巧程度，提升了其抓取功能，然而却给控制带来一定的难度。由于自由度增多，如何能够合理使用人前臂肌肉电信号所蕴含的丰富信息，从而分辨出人手部的一些特定动作或姿态进行假手的实时控制，是多自由度肌电假手亟待解决的问题。借助于一些模式识别方法，如人工神经网络、遗传算法、自组织神经网络等，手部或肘部动作的瞬态肌电信号的分类已经可以得到很高的识别成功率。支持向量机(Support Vector Machine，SVM)业已被证明是高效可靠的分类工具，基于此而建立起来的肌电模式识别系统具有更令人信服的理论基础及高成功率。然而更多的研究只存在于实验室的理论分析方面，还没有具体的实际嵌入式应用。

发明内容

本发明为解决基于向量机建立的肌电模式识别系统还处于实验室的理论分析阶段、开发周期较长、没有实际嵌入式应用的问题，提供一种基于PC机及DSP的多自由度肌电假手训练及控制系统。本发明包括以下单元：

肌电信号电极，用于将采集的肌电信号发送到供电转接模块和DSP目标板；

供电转接模块，用于为肌电信号电极供电，并将来自肌电信号电极的肌电信号发送到数据采集卡；

数据采集卡，用于采集供电转接模块的肌电信号，并将采集的肌电信号通过PCI总线发送到PC机；

DSP目标板，用于将来自肌电信号电极的肌电信号转换成肌电数字信号并进行肌电模式识别，并将所述模式识别结果发送到PC机；

PC机，用于接收来自数据采集卡的肌电信号和来自DSP目标板的模式识别结果，并提供虚拟假手的显示平台；

DSP仿真器，用于建立PC机与DSP目标板之间的连接，提供PC机与DSP目标板之间数据交换和DSP仿真功能；

本发明还包括以下单元：

显示控制模块，用于将来自数据采集卡的肌电信号进行实时绘制并显示输出，接收来自SVM模式识别模块的模式识别结果，并通过虚拟手显示肌电信号控制假手的状态；

SVM训练模块，用于将各模式的肌电信号数据进行训练；

SVM模式识别模块，用于实时识别DSP目标板采集到的肌电信号；

所述显示控制模块是一个运行在PC机的操作系统中的Labview程序，所述SVM训练模块是一个运行在PC机的操作系统中的Matlab程序，所述SVM模式识别模块是一个运行在DSP内部的基于SVM分类器的C程序。

有益效果：本发明基于SVM分类器的嵌入式DSP实现，建立一种基于PC机及DSP相结合的肌电假手训练及控制平台，为多模式肌电信号的识别提供一种方便快捷的评估验证以及嵌入式实现装置，以缩短多自由假手肌电信号控制的开发周期。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；图2是本发明基于PC机平台的硬件配置示意图；图3是本发明基于DSP平台的硬件配置示意图。图3中的电源为DSP目标板4供电，DSP仿真器6的一端通过图3中的USB口与PC机5连接，DSP仿真器6的另一端通过图3中的JTAG口与DSP目标板4连接，DSP目标板4的另一端通过图3中的串口与PC机5连接。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1～图3，本实施方式由以下单元组成：

肌电信号电极1，用于将采集的肌电信号发送到供电转接模块2和DSP目标板4；

供电转接模块2，用于为肌电信号电极1供电，并将来自肌电信号电极1的肌电信号发送到数据采集卡3；

数据采集卡3，用于采集供电转接模块2的肌电信号，并将采集的肌电信号通过PCI总线发送到PC机5；

DSP目标板4，用于对来自肌电信号电极1的肌电信号转换成肌电数字信号并进行肌电模式识别，将模式识别结果发送到PC机5；

PC机5，用于接收来自数据采集卡3的肌电信号和来自DSP目标板4的控制信号，并提供虚拟假手的显示平台；

DSP仿真器6，用于建立PC机5与DSP目标板4之间的连接，提供PC机5与DSP目标板4之间数据交换和DSP仿真功能；

显示控制模块7，用于将来自数据采集卡3的肌电信号实时绘制在PC机5的显示窗口上，接收来自SVM模式识别模块9的模式识别结果，并通过虚拟显示肌电信号控制肌电假手；

SVM训练模块8，用于将各模式肌电信号数据在PC机5的Matlab环境内进行训练；

SVM模式识别模块9，用于实时识别DSP目标板4采集到的肌电信号；

所述显示控制模块7是一个运行在PC机5的操作系统中的Labview程序，所述SVM训练模块8是一个运行在PC机5的操作系统中的Matlab程序，所述SVM模式识别模块9是一个运行在DSP内部的基于SVM分类器的C程序。

本实施方式基于多自由度假手的肌电控制及嵌入式实现，硬件上包括PC机5、DSP目标板4以及DSP信号采集系统和必要的通讯连接。软件上包括一个在PC机5上运行的Labview程序，即显示控制模块7，用于对肌电信号实时监测以及虚拟假手的实现；一个基于DSP分类器的SVM模式识别模块9，其中包括参数可配置SVM的DSP内部识别实现(C语言)，其由3个基本函数(分别是核函数kernel、两类间识别函数predict_svm和多类间识别函数whole_predict_svm)以及Matlab环境下生成的两个头文件(DSP28_SVM_DEF.h和DSP28_SVM_VAR.h，分别存放SVM相关的符号常量及全局变量值)构成；一个DSP同Matlab环境交互并进行训练数据采集及训练的SVM训练模块8。

基于PC机5的硬件配置有：肌电信号电极1采用OttoBock公司的13E200，数据采集卡3采用ADLINK公司的PCI-9118HR，肌电信号电极1和数据采集卡3之间通过供电转接模块2连接，供电转接模块2的作用包括给肌电电极1提供稳定的5V电压以及提供与数据采集卡3连线的接口SCSI-II(50针)；数据采集卡3插至PC机5的PCI插槽上，与PC机5之间通过高速PCI总线通信。

基于DSP的硬件配置有：DSP目标板4采用TI公司的TMS320F2812DSP为核心处理芯片的目标板，板上提供电极稳定5V电压供电及电极线接口；DSP仿真器6采用合众达XDS-510仿真器，DSP仿真器6的一端通过JTAG口连接DSP目标板4，另一端通过USB连接PC机5；DSP目标板4还通过串口同PC机5连接。

显示控制模块7通过在PC机5上编制Labview程序实现，其功能在于实时检测多通道肌电信号、接收控制指令以及虚拟假手实时控制演示；数据采集函数调用ADLINK开发的基于Labview软件环境的插件，通过循环实现连续采集，采集到的数据绘制到Labview前面板图形显示窗；通过观察肌电信号的实时采集结果，获取信号合适的幅度以及信号之间不相关的信息，以调整肌电电极的位置；使用Pro/E工程建模软件进行虚拟手的建模，采用自上而下的设计方法，每个手指指节之间连接时要考虑组件转配关系。具体做法是对于远指关节DIP，中指节作为基体，指尖作为加入的零件，将指尖与中指节连接成组件DM；在装配近指关节时，近指节DIP作为基体，中指节与指尖连接成的组件DM作为加入的新组件，组成新的组件DMP；然后再将组件DMP装配至手掌之上。将所有手指装配完毕后，使用Pro/E软件输出成VRML格式文件，各零件及分组件以Inline节点形式出现在总的VRML文件内；使用Labview软件集成ParallelGraphics公司的Cortona VRML Client控件，并指向虚拟假手的VRML文件，调用控件内置函数，以手指各关节的角度可以控制；显示控制模块7还包括一串口接收程序，用于接收SVM模式识别模块9传回的识别结果。

基于DSP的SVM模式识别模块9中的训练数据采集，通过其模块内主函数的一个二维数组实现。当DSP目标板4的AD采集口实时采集肌电信号时，此二维数组存储多通道肌电信号值，存储完毕将产生中断供SVM训练模块8提取。

建立SVM训练模块8同DSP目标板4之间的连接，通过Matlab与DSP调试软件CCS之间的软件接口Link for Code Composer Studio，将DSP目标板4采集到的各模式肌电信号样本传入PC机5的SVM训练模块8中(硬件上通过DSP仿真器6)。全部模式训练数据采集完毕后，在SVM训练模块8的Matlab环境下采用开源软件libsvm2.84进行SVM的训练。训练完毕后，在SVM训练模块8内通过m文件函数将SVM各参数写入到单独的头文件DSP28_SVM_DEF.h和DSP28_SVM_VAR.h中，将其复制到CCS工程目录替换旧文件，重新编译链接，供SVM模式识别模块9调用并进行实时肌电信号的识别。由于头文件内包含新的SVM参数信息，因此可以用于实时识别训练后的肌电模式。

基于DSP的SVM模式识别模块9中的肌电信号在线识别中，用于采集训练数据的二维数组不被激活。SVM模式识别模块9主函数内含有用于SVM识别的函数kernel、predict_svm、whole_predict_svm，直接在数据采集完毕后调用。识别完毕将识别出的模式标号通过串口发往PC虚拟假手或者按照协议发往假手。其中，显示控制模块7主要负责在训练之前检测肌电信号，以及在训练完毕后接收DSP目标板4给出的控制信号(软件通过显示控制SVM模式识别模块9，硬件通过RS232串口)，实时显示肌电控制情况，即虚拟手指的运动状态。

Claims (3)

1、基于PC机及DSP的多自由度肌电假手训练及控制系统，它包括以下单元：

肌电信号电极(1)，用于将采集的肌电信号发送到供电转接模块(2)和DSP目标板(4)；

供电转接模块(2)，用于为肌电信号电极(1)供电，并将来自肌电信号电极(1)的肌电信号发送到数据采集卡(3)；

数据采集卡(3)，用于采集供电转接模块(2)的肌电信号，并将采集的肌电信号通过PCI总线发送到PC机(5)；

DSP目标板(4)，用于将来自肌电信号电极(1)的肌电信号转换成肌电数字信号并进行肌电模式识别，并将所述模式识别结果发送到PC机(5)；

PC机(5)，用于接收来自数据采集卡(3)的肌电信号和来自DSP目标板(4)的模式识别结果，并提供虚拟假手的显示平台；

DSP仿真器(6)，用于建立PC机(5)与DSP目标板(4)之间的连接，提供PC机(5)与DSP目标板(4)之间数据交换和DSP仿真功能；

其特征在于它还包括以下单元：

显示控制模块(7)，用于将来自数据采集卡(3)的肌电信号进行实时绘制并显示输出，接收来自SVM模式识别模块(9)的模式识别结果，并通过虚拟手显示肌电信号控制假手的状态；

SVM训练模块(8)，用于将各模式的肌电信号数据进行训练；

SVM模式识别模块(9)，用于实时识别DSP目标板(4)采集到的肌电信号；

所述显示控制模块(7)是一个运行在PC机(5)的操作系统中的Labview程序，所述SVM训练模块(8)是一个运行在PC机(5)的操作系统中的Matlab程序，所述SVM模式识别模块(9)是一个运行在DSP内部的基于SVM分类器的C程序。

2、根据权利要求1所述的基于PC机及DSP的多自由度肌电假手训练及控制系统，其特征在于所述DSP内部的SVM分类器由三个基本识别函数组成，分别是核函数kernel、两类间识别函数predict_svm和多类间识别函数whole_predict_svm，以及头文件“DSP28_SVM_DEF.h”和“DSP28_SVM_VAR.h”，分别存放SVM相关的符号常量及全局变量值。

3、根据权利要求1所述的基于PC机及DSP的多自由度肌电假手训练及控制系统，其特征在于SVM训练模块(8)中的训练数据，通过SVM模式识别模块(9)主函数内的二维数组进行保存，存储完毕产生中断供SVM训练模块(8)提取。在Matlab环境下进行肌电信号的特征提取以及SVM训练，训练完毕后SVM训练模块(8)将SVM各项参数重新写入SVM模式识别模块(9)中，以用于肌电模式的实时识别。

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