CN102836021B - 编码式多自由度肌电假手控制系统 - Google Patents

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编码式多自由度肌电假手控制系统，涉及编码式多自由度肌电假手控制系统。为了解决现有肌电假手控制系统存在控制方式分类风险高、可分类模式受限和单纯基于编码控制方式环境适应性差、操作复杂问题。它肌电信号电极模拟信号输出端与目标DSP板的A/D转换模块模拟信号输入端连接；A/D转换模块数字信号输出端同时与费舍尔线性分类器数字信号输入端和离线训练模块数字信号输入端连接；离线训练模块进行将训练后初始化参数输入给费舍尔线性分类器；费舍尔线性分类器将肌电信号分类结果同时发送至在线更新模块和编码模块；在线更新模块实时修正费舍尔分类器参数；编码模块用于在姿势编码状态下设定动作姿势进行动作。本发明应用于肌电假领域。

Description

编码式多自由度肌电假手控制系统
技术领域
本发明涉及肌电假手控制系统，具体涉及编码式多自由度肌电假手控制系统。
背景技术
肌电假手是一种利用人体前臂的肌肉电信号(Electromyography，EMG)作为信息源，通过一定的信息解码策略，将人的控制意图转化为运动控制信息的康复装备。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，因为其利用了人体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，致使很多残疾人患者不愿意佩戴假手。为了提高假手灵巧程度，国内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。自由度的增多提升了假手的灵巧程度，扩展了其抓取功能，却给假手的控制带来一定的困难。由于肌电假手需要使用残臂的神经肌肉信号作为控制信息源，然而残臂肌肉在截肢手术后往往会出现萎缩、坏死等症状，因此直接从残臂中直接提取到各手指灵活运动信息是不现实的。综上所述现有的肌电假手控制系统存在单纯基于模式识别的控制方式分类风险高、可分类模式受限和单纯基于编码控制的控制方式环境适应性差、操作复杂的问题。
发明内容
本发明为了解决现有的肌电假手控制系统存在单纯基于模式识别的控制方式分类风险高、可分类模式受限和单纯基于编码控制的控制方式环境适应性差、操作复杂的问题，从而提出了编码式多自由度肌电假手控制系统。
编码式多自由度肌电假手控制系统，它包括肌电信号电极和目标DSP板，所述的肌电信号电极包括信号采集模块和信号处理模块，所述的目标DSP板包括A/D转换模块、离线训练模块、线性分类器(Fisher Classifier)、在线更新模块和编码模块，
信号采集模块将接收到的原始肌电信号通过电信号输出端发送至信号处理模块的电信号输入端；
信号处理模块的模拟信号输出端与目标DSP板的A/D转换模块的模拟信号输入端连接；
A/D转换模块的数字信号输出端与费舍尔线性分类器的数字信号输入端连接；
A/D转换模块的训练数字信号输出端与离线训练模块的数字信号输入端连接；
离线训练模块根据人体按顺序依次弯曲、放松和伸展前臂所产生的标记的肌电信号经A/D转换模块后，进行训练，并将训练后的初始化参数输入给费舍尔线性分类器；
费舍尔线性分类器根据费舍尔分类算法将接收到的肌电信号分类为伸肌信号E、屈肌信号F和无效肌电信号T，并将分类结果同时发送至在线更新模块和编码模块；
在线更新模块根据接收到所述费舍尔线性分类器的分类结果实时修正费舍尔线性分类器的参数；
编码模块用于统计经分类后数字信号所持续的时间，依据所述数字信号持续的时间进行进一步将肌电信号细分，将持续时间Lf1为10ms＜Lf1＜100ms的肌电信号划分为短时屈肌信号f1、将持续时间Le1为10ms＜Le1＜100ms的肌电信号划分短时伸肌信号e1、将持续时间Lf2为1000ms≤Lf2的肌电信号划分长时屈肌信号f2、将持续时间Le2为1000ms≤Le2的肌电信号划分为长时伸肌信号e2和无效肌电信号T，
编码模块具有两个工作状态：姿势编码状态和增量控制状态，增量控制状态，用于按照在姿势编码状态下设定的动作姿势进行动作，
姿势编码状态，用于产生7种姿势码，包括1种缺省姿势码和6种非缺省姿势码，设定假手的动作姿势，具体为：
若肌电信号被细分为短时伸肌信号e1和短时屈肌信号f1组成的6种排列组合的任意一组时，则生成6种非缺省姿势码；
若肌电信号被细分为长时伸肌信号e2时，则清除之前的排列组合，生成缺省姿势码；
若肌电信号被细分为长时屈肌信号f2时，则从当前所处的姿势编码状态转入增量控制状态；
增量控制状态，用于按照在姿势编码状态下设定的动作姿势进行动作，具体为：
若肌电信号被分类为伸肌信号E时，则控制假手各手指按照设定动作的相反方向动作直至回到初始位置；
若肌电信号被分类为无效肌电信号T，则假手各手指保持当前位置或与物体的接触力；
若肌电信号被分类为屈肌信号F时，则控制假手各手指从初始的张开位置按照设定的动作姿势弯曲至与物体接触，
当假手与物体接触后，若肌电信号被分类为屈肌信号F时，则假手加大与物体的接触力直至达到电机的最大输出力为止；
当假手与物体接触后，若肌电信号被分类为伸肌信号E时，则假手减小与物体的接触力直至与物体脱离接触。
本发明目标DSP板实现了多自由度的控制方式分类风险低、可分类模式多，抓取功能效果好，多自由度的控制方式对环境适应性强、操作简单，达到了利用肌电信号对多自由度假手的稳定控制的目的。
附图说明
图1为编码式多自由度肌电假手控制系统的控制原理示意图；
图2为短时伸肌信号e1的波形图，Le1表示从分类为伸肌信号E到分类为非伸肌信号所持续的时间，10ms＜Le1＜100ms；
图3为长时伸肌信号e2的波形图，Le2表示从分类为伸肌信号E到分类为非伸肌信号所持续的时间，1000ms≤Le2；
图4为短时屈肌信号f1的波形图，Lf1表示从分类为屈肌信号F到分类为非屈肌信号所持续的时间，10ms＜Lf1＜100ms；
图5为长时屈肌信号f2的波形图，Lf2表示从分类为屈肌信号F到分类为非屈肌信号所持续的时间，1000ms≤Lf2；
图6为无效肌电信号T的波形图；
图7为编码模块7的状态转换图，
图8为编码模块7的工作原理图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的编码式多自由度肌电假手控制系统，它包括肌电信号电极1和目标DSP板2，所述的肌电信号电极1包括信号采集模块1-1和信号处理模块1-2，所述的目标DSP板2包括A/D转换模块3、离线训练模块4、费舍尔线性分类器5、在线更新模块6和编码模块7，
信号采集模块1-1将接收到的原始肌电信号通过电信号输出端发送至信号处理模块1-2的电信号输入端；
信号处理模块1-2的模拟信号输出端与目标DSP板2的A/D转换模块3的模拟信号输入端连接；
A/D转换模块3的数字信号输出端与费舍尔线性分类器5的数字信号输入端连接；
A/D转换模块3的训练数字信号输出端与离线训练模块4的数字信号输入端连接；
在训练阶段，离线训练模块4根据人体按顺序依次弯曲、放松和伸展前臂所产生的标记的肌电信号经A/D转换模块3后，进行训练，并将训练后的初始化参数输入给费舍尔线性分类器5；
在使用阶段，使用者产生的肌电信号，经A/D转换模块3后，输出给费舍尔线性分类器5，费舍尔线性分类器5根据费舍尔分类算法(Fisher Classifier Algorithm)将接收到的肌电信号分类为伸肌信号E、屈肌信号F和无效肌电信号T，并将分类结果同时发送至在线更新模块6和编码模块7；
在线更新模块6根据接收到所述费舍尔线性分类器5的分类结果实时修正费舍尔线性分类器5的参数；
编码模块7用于统计经分类后数字信号所持续的时间，依据所述数字信号持续的时间进行编码，对费舍尔线性分类器5的分类结果进行细分，
依据所述数字信号持续的时间进行进一步将肌电信号细分，将持续时间Lf1为10ms＜Lf1＜100ms的肌电信号划分为短时屈肌信号f1、将持续时间Le1为10ms＜Le1＜100ms的肌电信号划分短时伸肌信号e1、将持续时间Lf2为1000ms≤Lf2的肌电信号划分长时屈肌信号f2、将持续时间Le2为1000ms≤Le2的肌电信号划分为长时伸肌信号e2和无效肌电信号T，如图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8所示。图中实线为置于伸肌肌腹处的肌电电极采集到的信号，虚线为置于屈肌肌腹处的肌电电极采集到的信号，
编码模块7具有两个工作状态：姿势编码状态和增量控制状态，增量控制状态，用于按照在姿势编码状态下设定的动作姿势进行动作，
姿势编码状态，用于产生7种姿势码，包括1种缺省姿势码和6种非缺省姿势码，设定假手的动作姿势，具体为：
若肌电信号被细分为短时伸肌信号e1和短时屈肌信号f1组成的6种排列组合的任意一组时，则生成6种非缺省姿势码；
若肌电信号被细分为长时伸肌信号e2时，则清除之前的排列组合，生成缺省姿势码；
若肌电信号被细分为长时屈肌信号f2时，则从当前所处的姿势编码状态转入增量控制状态；
增量控制状态，用于按照在姿势编码状态下设定的动作姿势进行动作，具体为：
若肌电信号被细分为短时伸肌信号e1和短时屈肌信号f1组成的6种排列组合的任意一组时，则生成6种非缺省姿势码；
若肌电信号被细分为长时伸肌信号e2时，则清除之前的排列组合，生成缺省姿势码；
若肌电信号被细分为长时屈肌信号f2时，则从当前所处的姿势编码状态转入增量控制状态；
增量控制状态，用于按照在姿势编码状态下设定的动作姿势进行动作，具体为：
若肌电信号被分类为伸肌信号E时，则控制假手各手指按照设定动作的相反方向动作直至回到初始位置；
若肌电信号被分类为无效肌电信号T，则假手各手指保持当前位置或与物体的接触力；
若肌电信号被分类为屈肌信号F时，则控制假手各手指从初始的张开位置按照设定的动作姿势弯曲至与物体接触，
当假手与物体接触后，若肌电信号被分类为屈肌信号F时，则假手加大与物体的接触力直至达到电机的最大输出力为止；
当假手与物体接触后，若肌电信号被分类为伸肌信号E时，则假手减小与物体的接触力直至与物体脱离接触。
本实施方式所述的肌电信号电极1共有两枚，分别放置于屈肌(Flexor)和伸肌(Extensor)的肌腹处，用于采集并预处理肌电信号。如图1所示，使用者依次进行弯曲手臂、放松、伸张手臂的动作以产生三组带有标记的训练样本。利用费舍尔离线训练模块4对训练样本进行处理，生成初始化的分类器。训练完成后，系统进入在线识别和编码状态。其中费舍尔在线识别更新模块5先利用生成的分类器将肌电信号电极1产生的肌电信号进行分类、将分类结果传递给编码模块，并利用最新产生的分类结果修正由费舍尔离线训练模块4产生的初始化分类器。
具体实施方式二、本实施方式与具体实施方式一所述的编码式多自由度肌电假手控制系统的区别在于，所述的信号处理模块1-2将接收到的预处理肌电信号转换为模拟信号，并对该模拟信号进行滤波和放大处理后输出。

Claims (2)

1.编码式多自由度肌电假手控制系统，其特征在于，它包括肌电信号电极(1)和目标DSP板(2)，所述的肌电信号电极(1)包括信号采集模块(1-1)和信号处理模块(1-2)，所述的目标DSP板(2)包括A/D转换模块(3)、离线训练模块(4)、费舍尔线性分类器(5)、在线更新模块(6)和编码模块(7)，
信号采集模块(1-1)将接收到的原始肌电信号通过电信号输出端发送至信号处理模块(1-2)的电信号输入端；
信号处理模块(1-2)的模拟信号输出端与目标DSP板(2)的A/D转换模块(3)的模拟信号输入端连接；
A/D转换模块(3)的数字信号输出端与费舍尔线性分类器(5)的数字信号输入端连接；
A/D转换模块(3)的训练数字信号输出端与离线训练模块(4)的数字信号输入端连接；
离线训练模块(4)根据人体按顺序依次弯曲、放松和伸展前臂所产生的标记的肌电信号经A/D转换模块(3)后，进行训练，并将训练后的初始化参数输入给费舍尔线性分类器(5)；
费舍尔线性分类器(5)根据费舍尔分类算法将接收到的肌电信号分类为：伸肌信号E、屈肌信号F和无效肌电信号T，并将分类结果同时发送至在线更新模块(6)和编码模块(7)；
在线更新模块(6)根据接收到所述费舍尔线性分类器(5)的分类结果实时修正费舍尔线性分类器(5)的参数；
编码模块(7)用于统计经分类后数字信号所持续的时间，依据所述数字信号持续的时间进行进一步将肌电信号细分为短时屈肌信号f1、短时伸肌信号e1、长时屈肌信号f2、长时伸肌信号e2和无效肌电信号T，将持续时间Lf1为10ms＜Lf1＜100ms的肌电信号划分为短时屈肌信号f1、将持续时间Le1为10ms＜Le1＜100ms的肌电信号划分为短时伸肌信号e1、将持续时间Lf2为1000ms≤Lf2的肌电信号划分为长时屈肌信号f2、将持续时间Le2为1000ms≤Le2的肌电信号划分为长时伸肌信号e2，
编码模块(7)具有两个工作状态：姿势编码状态和增量控制状态，增量控制状态，用于按照在姿势编码状态下设定的动作姿势进行动作，
姿势编码状态，用于产生7种姿势码，包括1种缺省姿势码和6种非缺省姿势码，设定假手的动作姿势，具体为：
若肌电信号被细分为短时伸肌信号e1和短时屈肌信号f1组成的6种排列组合的任意一组时，则生成6种非缺省姿势码；
若肌电信号被细分为长时伸肌信号e2时，则清除之前的排列组合，生成缺省姿势码；
若肌电信号被细分为长时屈肌信号f2时，则从当前所处的姿势编码状态转入增量控制状态；
增量控制状态，用于按照在姿势编码状态下设定的动作姿势进行动作，具体为：
若肌电信号被分类为伸肌信号E时，则控制假手各手指按照设定动作的相反方向动作直至回到初始位置；
若肌电信号被分类为无效肌电信号T，则假手各手指保持当前位置或与物体的接触力；
若肌电信号被分类为屈肌信号F时，则控制假手各手指从初始的张开位置按照设定的动作姿势弯曲至与物体接触，
当假手与物体接触后，若肌电信号被分类为屈肌信号F时，则假手加大与物体的接触力直至达到电机的最大输出力为止；
当假手与物体接触后，若肌电信号被分类为伸肌信号E时，则假手减小与物体的接触力直至与物体脱离接触。
2.根据权利要求1所述的编码式多自由度肌电假手控制系统，其特征在于，所述的信号处理模块(1-2)将接收到的预处理肌电信号转换为模拟信号，并对该模拟信号进行滤波和放大处理后输出。
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