CN111743667A

CN111743667A - 一种假肢控制方法、装置、系统及存储介质

Info

Publication number: CN111743667A
Application number: CN202010609468.6A
Authority: CN
Inventors: 田彦秀; 姚秀军; 韩久琦; 桂晨光
Original assignee: Beijing Haiyi Tongzhan Information Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Haiyi Tongzhan Information Technology Co Ltd
Priority date: 2020-06-29
Filing date: 2020-06-29
Publication date: 2020-10-09
Also published as: WO2022001771A1

Abstract

本发明涉及一种假肢控制方法、装置、系统及存储介质。控制方法包括：获取假肢使用对象肢体上的肌电信号；根据肌电信号得到相应的肌电强度值和包络信号；当包络信号的包络值大于第一预设阈值时，确定肌电强度值在多个预设区间中对应的目标区间，获取目标区间对应的控制指令；通过控制指令控制假肢运行。本方案通过包络信号确定假肢使用对象的肌电信号是否符合预设阈值，并在符合阈值后，基于肌电强度值确定此时假肢使用对象对于假肢的控制程度，并获取控制指令控制假肢运行，本方案先用包络值判断避免了动作误触发操作，再用肌电信号转换得到的肌电强度值实现肌电强度比例控制，实现对假肢的灵巧控制。

Description

一种假肢控制方法、装置、系统及存储介质

技术领域

本发明涉及智能控制技术领域，尤其涉及一种假肢控制方法、装置、系统及存储介质。

背景技术

数据显示，我国现有的残疾人士中超过30％为肢体残疾者，肢体残缺严重影响着残疾人士的工作与生活。因此，能解决残疾人士行动障碍问题的智能动力假肢正逐渐成为智能机器人领域的研究热点之一。随着机器人技术的发展，智能电动假肢得到了快速地发展，但如何实现对智能电动假肢的控制是亟待解决的问题，也是假肢得到实际应用的关键问题之一。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明的至少一个实施例提供了一种假肢控制方法、装置、系统及存储介质。

第一方面，本发明实施例提供了一种假肢控制方法，所述控制方法包括：

获取假肢使用对象肢体上的肌电信号；

根据所述肌电信号得到相应的肌电强度值和包络信号；

当所述包络信号的包络值大于第一预设阈值时，确定所述肌电强度值在多个预设区间中对应的目标区间，获取所述目标区间对应的控制指令；

通过所述控制指令控制假肢运行。

基于上述技术方案，本发明实施例还可以做出如下改进。

结合第一方面，在第一方面的第一种实施例中，所述确定所述肌电强度值在多个预设区间中对应的目标区间，获取所述目标区间对应的控制指令之前，还包括：

若所述包络信号的包络值在预设时长内均大于或等于第二预设阈值，则执行确定所述肌电强度值在多个预设区间中对应的目标区间，获取所述目标区间对应的控制指令的步骤；

或者，若所述包络信号的包络值在预设时长内任一时刻小于第二预设阈值，则输出预设控制指令。

结合第一方面，在第一方面的第二种实施例中，所述根据所述肌电信号得到相应的肌电强度值，包括：

计算所述肌电信号的均方根值，作为所述肌电强度值。

结合第一方面的第二种实施例，在第一方面的第三种实施例中，通过如下计算公式计算得到所述均方根值：

其中，RMS为所述肌电强度值，T为所述肌电信号的时间长度，sEMG(t)为t时刻的肌电信号值，

为sEMG(t)²在t时刻至t+T时刻的积分。

结合第一方面，在第一方面的第四种实施例中，根据所述肌电信号得到相应的肌电强度值和包络信号之前，所述控制方法还包括：

对所述肌电信号进行带通滤波，得到滤波后的肌电信号。

结合第一方面或第一方面的第一、第二、第三或第四种实施例，在第一方面的第五种实施例中，所述确定所述肌电强度值在多个预设区间中对应的目标区间，获取所述目标区间对应的控制指令，包括：

将所述肌电强度值分别与多个预设区间进行比对，确定所述肌电强度值所属的预设区间，作为目标区间；

基于预先设定的控制指令区间对应表，根据所述目标区间输出相应等级的控制指令。

结合第一方面的第五种实施例，在第一方面的第六种实施例中，控制方法还包括：

获取所述假肢使用对象以最大肌力和最小肌力进行肌肉收缩时的多组最大肌电信号和最小肌电信号；

根据所述最小肌电信号得到最小包络值，作为所述第一预设阈值；

根据所述最大肌电信号得到最大肌电强度值，根据所述最小肌电信号得到最小肌电强度值；

基于所述最小肌电强度值和最大肌电强度值得到肌电强度区间，对所述肌电强度区间进行划分得到多组所述预设区间；

针对每组所述预设区间对应设置控制指令，并将预设区间与控制指令存储进控制指令区间对应表中。

第二方面，本发明实施例提供了一种假肢控制装置，所述控制装置包括：

获取单元，用于获取假肢使用对象肢体上的肌电信号；

第一处理单元，用于根据所述肌电信号得到相应的肌电强度值和包络信号；

第二处理单元，用于当所述包络信号的包络值大于第一预设阈值时，确定所述肌电强度值在多个预设区间中对应的目标区间，获取所述目标区间对应的控制指令；

第三处理单元，用于通过所述控制指令控制假肢运行。

第三方面，本发明实施例提供了一种假肢控制系统，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信；

存储器，用于存放计算机程序；

处理器，用于执行存储器上所存放的程序时，实现第一方面中任一实施例所述的假肢控制方法。

第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现第一方面中任一实施例所述的假肢控制方法。

本发明的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：本发明实施例通过获取假肢使用对象肢体上的肌电信号，并将肌电信号转换为肌电强度值和包络信号，通过包络信号确定假肢使用对象的肌电信号是否符合预设阈值，并在符合阈值后，基于肌电强度值确定此时假肢使用对象对于假肢的控制程度，并获取控制指令控制假肢运行，本方案先用包络值判断避免了动作误触发操作，再用肌电信号转换得到的肌电强度值实现肌电强度比例控制，实现对假肢的灵巧控制。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种假肢控制方法流程示意图；

图2是本发明另一实施例提供的一种假肢控制方法流程示意图；

图3是本发明又一实施例提供的一种假肢控制方法流程示意图；

图4是本发明又一实施例提供的一种假肢控制装置结构示意图；

图5是本发明又一实施例提供的一种假肢控制系统结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种假肢控制方法。参照图1，控制方法包括如下步骤：

S11、获取假肢使用对象肢体上的肌电信号。

在本实施例中，肌电信号(EMG)是众多肌纤维中运动单元动作电位(MUAP)在时间和空间上的叠加。表面肌电信号(SEMG)是浅层肌肉EMG和神经干上电活动在皮肤表面的综合效应，能在一定程度上反映神经肌肉的活动；相对于针电极EMG，SEMG在测量上具有非侵入性、无创伤、操作简单等优点。

在本实施例中，假肢使用对象一般是肢体有残缺的用户，这类用户通过假肢做出预先设定的手势动作，完成简单的日常生活。

在本实施例中，为方便用户初始的习惯，最优的还是采集残肢端表面的肌电信号用于后续处理，当然，考虑到可能不存在残肢端的情况，也可以是其他部位的表面的肌电信号来最终控制假。

S12、根据肌电信号得到相应的肌电强度值和包络信号。

在本实施例中，肌电信号的肌电强度可以表示肌电信号的大小，包络信号是肌电信号经过放大、整流和集成的信号，也就是肌电的包络线。

S13、当包络信号的包络值大于第一预设阈值时，确定肌电强度值在多个预设区间中对应的目标区间，获取目标区间对应的控制指令。

在本实施例中，通过设置第一预设阈值作为开关阈值，当包络信号的包络值大于第一预设阈值时，则说明肌电信号的幅值达到了预设阈值，而后确定肌电强度值在多个预设区间中对应的目标区间，获取该目标区间对应的控制指令，在本方案中，预设区间可以是由一个完整的阈值区间划分得到，也可以是用户根据经验得到的肌电信号的肌电强度值自定义的多个预设区间，由于人体在做不同的动作时会使用不同的力，所产生的的肌电信号也不同，所以每个预设区间对应的控制指令也不相同，即不同预设区间对应的控制指令控制假肢以不同的运动方式运行。

在本实施例中，当包络值小于第一预设阈值时，则无需进行任何处理。

S14、通过控制指令控制假肢运行。

在本实施例中，根据上述步骤得到的控制指令控制假肢按预设方式运行，其中，控制指令控制假肢进行的动作可以由用户根据自身条件自定义，实现不同肌电强度比例控制假肢做不同的动作，在本步骤中，预设区间中的值越大，所对应的的控制指令控制的假肢的动作幅度越大，或者，预设区间的值越大，所对应的控制指令控制的假肢的动作越快速。

在一个具体的实施例中，步骤S13根据肌电强度值与预设阈值范围的比较结果输出相应等级的控制指令之前，控制还包括如下步骤：

若包络信号的包络值在预设时长内均大于或等于第二预设阈值，则执行根据肌电强度值与预设阈值范围的比较结果输出相应等级的控制指令；或者，若包络信号的包络值在预设时长内任一时刻小于第二预设阈值，则输出预设控制指令。

在本实施例中，在确定包络信号的包络值大于第一预设阈值时，可以确定肌电信号出现波动且大了启动阈值，由于肌肉动作电位是一种触发性、爆炸性事件，表明了其幅度和时程将不由刺激的幅度和时程所决定，即更大的刺激电流并不产生更大的动作电位，更长的刺激时程也不使动作电位延长，此时，再设置一第二预设阈值，若包络值在预设时长内均大于或等于第二预设阈值，则说明假肢使用对象确实是要进行某些动作，而不是无意识导致的误启动，此时再进行步骤S13的步骤得到相应的控制指令。

在本实施例中，若包络信号的包络值在预设时长内任一时刻小于第二预设阈值，即包络信号的包络值并未在预设时长内均大于或等于第二预设阈值，此时，输出一个预设控制指令，比如，可以是让假肢停止运动的控制指令，还可以是延迟一段时间后再重新检测假肢使用对象的肌电信号的控制指令等，以避免假肢误动造成使用效果不佳的问题。

在本实施例中，通过计算肌电信号的均方根值，作为肌电强度值。相比较于直接将肌电信号的瞬时值作为肌电强度值，计算肌电信号的均方根值，可以用以表示肌电信号在某一时间段内的有效值，这样可以避免瞬时值导致的误触发，提高数据的准确性。

具体的，在本实施例中，通过如下计算公式计算得到均方根值：

其中，RMS为肌电强度值，T为肌电信号的时间长度，sEMG(t)为t时刻的肌电信号值，

为sEMG(t)²在t时刻至t+T时刻的积分。

在本实施例中，在获取到假肢使用对象的肌电信号后，可以对肌电信号进行带通滤波，得到滤波后的肌电信号；对原始肌电信号进行预处理，一般为50Hz陷波器滤除工频干扰，其次经过带通滤波保留肌电的主要能量频率，得到去噪后比较干净的肌电信号。

如图2所示，本发明实施例提供了一种假肢控制方法。参照图2，控制方法包括如下步骤：

S21、获取假肢使用对象肢体上的肌电信号。

有关步骤S21，详细可参见步骤S11中的描述，本实施例在此不再赘述。

S22、根据肌电信号得到相应的肌电强度值和包络信号。

有关步骤S22，详细可参见步骤S12中的描述，本实施例在此不再赘述。

S23、当包络信号的包络值大于第一预设阈值时，将肌电强度值分别与多个预设区间进行比对，确定肌电强度值所属的预设区间，作为目标区间。

在本实施例中，可以不用以此将肌电强度值与预设区间进行比对，可以通过将预设区间进行大小排序，按照预设区间的大小顺序，从中间的那个预设区间，将各个预设区间分为两边，确定肌电强度值是属于较小的那边还是较大的那边，确定属于那边后，再次进行上述步骤，并最终得到肌电强度值所属的预设区间，这种方式可以较快的得到结果，在预设区间的数量较多的情况下，提高处理效率。

S24、基于预先设定的控制指令区间对应表，根据目标区间获取相应的控制指令。

在本实施例中，根据目标区间从预先设定的控制指令区间对应表中获取控制指令，控制指令区间对应表中的控制指令和区间之间的对应关系可以由用户预先进行设定，或者，根据过往使用经验结合用户的实时使用体验，针对不同的区间设定相应的控制指令。

S25、通过控制指令控制假肢运行。

有关步骤S25，详细可参见步骤S14中的描述，本实施例在此不再赘述。

在一个具体的实施例中，如图3所示，控制方法还包括如下步骤：

S31、获取假肢使用对象以最大肌力和最小肌力进行肌肉收缩时的多组最大肌电信号和最小肌电信号。

在本实施例中，由于不同体型和性别的假肢使用对象的肌电信号与假肢之间的动作的需求是不一致的，所以在本实施例中，可以针对每个用均进行个性化配置，使得每个假肢使用对象所用的假肢与自身相适应。

在本实施例中，获取假肢对象以最大肌力和最小肌力进行肌肉收缩时的多组最大肌电信号和最小肌电信号，由于需要根据用户在不同用力情况下的肌电信号，所以，本步骤中最好采集的是用户在最大恒等肌力和最小恒等肌力时的肌电信号，但是让人保持恒等肌力是很困难的事，所以，本步骤中，不仅可以通过让用户自己以自身所设想的最大肌力和最小肌力进行发力采集相应的最大肌电信号和最小肌电信号，还可以通过让用户佩戴好肌电信号采集装置后，通过一系列预先设定的障碍和进行一系列运动，实时采集这些信号后，也可以得到一个最大肌电信号和最小肌电信号。

S31、根据最小肌电信号得到最小包络值，作为第一预设阈值。

在本实施例中，将最小肌电信号对应的最小包络值作为第一预设阈值，此时，该第一预设阈值可以作为开关阈值，确定用户是否需要操控假肢。

S32、根据最大肌电信号得到最大肌电强度值，根据最小肌电信号得到最小肌电强度值。

S33、基于最小肌电强度值和最大肌电强度值得到肌电强度区间，对肌电强度区间进行划分得到多组预设区间。

在本实施例中，根据最大肌电信号和最小肌电信号对应的肌电强度值确定该用户的肌电强度值的范围，即肌电强度区间，将该肌电强度区间进行划分，得到上述实施例中的预设区间，划分方式可以是等分划分，也可以根据实际使用经验和用户使用体验进行个性化定制划分。

S34、针对每组预设区间对应设置控制指令，并将预设区间与控制指令存储进控制指令区间对应表中。

如图4所示，本发明实施例提供了一种假肢控制装置，控制装置包括：获取单元11、第一处理单元12、第二处理单元13和第三处理单元14。

在本实施例中，获取单元11，用于获取假肢使用对象肢体上的肌电信号。

在本实施例中，第一处理单元12，用于根据肌电信号得到相应的肌电强度值和包络信号。

在本实施例中，第二处理单元13，用于当包络信号的包络值大于第一预设阈值时，确定肌电强度值在多个预设区间中对应的目标区间，获取目标区间对应的控制指令；

在本实施例中，第三处理单元14，用于通过控制指令控制假肢运行。

在本实施例中，控制装置还包括：第四处理单元，用于判断包络信号的包络值是否在预设时长内均大于或等于第二预设阈值；若包络信号的包络值在预设时长内均大于或等于第二预设阈值，则通过第二处理单元13确定肌电强度值在多个预设区间中对应的目标区间，获取目标区间对应的控制指令；或者，若包络信号的包络值在预设时长内任一时刻小于第二预设阈值，则输出预设控制指令。

在本实施例中，第一处理单元12，具体用于计算肌电信号的均方根值，作为肌电强度值。

在本实施例中，第一处理单元12，具体用于通过如下计算公式计算得到均方根值：

为sEMG(t)²在t时刻至t+T时刻的积分。

在本实施例中，控制装置还包括：过滤单元，用于对肌电信号进行带通滤波，得到滤波后的肌电信号。

在本实施例中，第二处理单元13，具体用于将肌电强度值分别与多个预设区间进行比对，确定肌电强度值所属的预设区间，作为目标区间；基于预先设定的控制指令区间对应表，根据目标区间获取相应的控制指令。

在本实施例中，控制装置还包括：第五处理单元，用于获取假肢使用对象以最大肌力和最小肌力进行肌肉收缩时的多组最大肌电信号和最小肌电信号；根据最小肌电信号得到最小包络值，作为第一预设阈值；根据最大肌电信号得到最大肌电强度值，根据最小肌电信号得到最小肌电强度值；基于最小肌电强度值和最大肌电强度值得到肌电强度区间，对肌电强度区间进行划分得到多组预设区间；针对每组预设区间对应设置控制指令，并将预设区间与控制指令存储进控制指令区间对应表中。

如图5所示，本发明实施例提供了一种假肢控制系统，包括处理器1110、通信接口1120、存储器1130和通信总线1140，其中，处理器1110，通信接口1120，存储器1130通过通信总线1140完成相互间的通信；

存储器1130，用于存放计算机程序；

处理器1110，用于执行存储器1130上所存放的程序时，实现如下所示的方法：

获取假肢使用对象肢体上的肌电信号；

根据肌电信号得到相应的肌电强度值和包络信号；

当包络信号的包络值大于第一预设阈值时，确定肌电强度值在多个预设区间中对应的目标区间，获取目标区间对应的控制指令；

通过控制指令控制假肢运行。

本发明实施例提供的电子设备，处理器1110通过执行存储器1130上所存放的程序获取假肢使用对象肢体上的肌电信号，并将肌电信号转换为肌电强度值和包络信号，通过包络信号确定假肢使用对象的肌电信号是否符合预设阈值，并在符合阈值后，基于肌电强度值确定此时假肢使用对象对于假肢的控制程度，并获取控制指令控制假肢运行，本方案先用包络值判断避免了动作误触发操作，再用肌电信号转换得到的肌电强度值实现肌电强度比例控制，实现对假肢的灵巧控制。

上述电子设备提到的通信总线1140可以是外设部件互连标准(PeripheralComponentInterconnect，简称PCI)总线或扩展工业标准结构(ExtendedIndustryStandardArchitecture，简称EISA)总线等。该通信总线1140可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

通信接口1120用于上述电子设备与其他设备之间的通信。

存储器1130可以包括随机存取存储器(RandomAccessMemory，简称RAM)，也可以包括非易失性存储器(non-volatilememory)，例如至少一个磁盘存储器。可选的，存储器1130还可以是至少一个位于远离前述处理器1110的存储装置。

上述的处理器1110可以是通用处理器，包括中央处理器(CentralProcessingUnit，简称CPU)、网络处理器(NetworkProcessor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(DigitalSignalProcessing，简称DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，简称ASIC)、现场可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。

本发明实施例提供了计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现上述任一实施例的假肢控制方法。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例的流程或功能。计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidStateDisk(SSD))等。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种假肢控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

获取假肢使用对象肢体上的肌电信号；

根据所述肌电信号得到相应的肌电强度值和包络信号；

通过所述控制指令控制假肢运行。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述确定所述肌电强度值在多个预设区间中对应的目标区间，获取所述目标区间对应的控制指令之前，还包括：

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述肌电信号得到相应的肌电强度值，包括：

计算所述肌电信号的均方根值，作为所述肌电强度值。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，通过如下计算公式计算得到所述均方根值：

为sEMG(t)²在t时刻至t+T时刻的积分。

5.根据权利要求1中任意所述的控制方法，其特征在于，根据所述肌电信号得到相应的肌电强度值和包络信号之前，所述控制方法还包括：

对所述肌电信号进行带通滤波，得到滤波后的肌电信号。

6.根据权利要求1～5中任一所述的控制方法，其特征在于，所述确定所述肌电强度值在多个预设区间中对应的目标区间，获取所述目标区间对应的控制指令，包括：

基于预先设定的控制指令区间对应表，根据所述目标区间获取相应的控制指令。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，控制方法还包括：

8.一种假肢控制装置，其特征在于，所述控制装置包括：

获取单元，用于获取假肢使用对象肢体上的肌电信号；

第三处理单元，用于通过所述控制指令控制假肢运行。

9.一种假肢控制系统，其特征在于，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信；

存储器，用于存放计算机程序；

处理器，用于执行存储器上所存放的程序时，实现权利要求1～7中任一所述的假肢控制方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现权利要求1～7中任一所述的假肢控制方法。