基于MYO臂环的假肢手控制系统及其控制方法与流程

文档序号:12685719阅读:来源:国知局

技术特征:

1.一种基于MYO臂环的假肢手控制系统,其特征在于,包括:信号采集模块(1),STM32模块(2),模糊控制器模块(3),假肢手模块(4),抓握力反馈模块(5)及配合离线训练的PC机;

所述信号采集模块(1),包括用于采集sEMG数据,佩戴在患者残臂偏上处的MYO臂环(11)和用于采集正常人手抓握力值数据的六维力传感器(12);

所述STM32模块(2),用于读取、处理sEMG数据;

所述模糊控制器模块(3),用于接收STM32模块(2)发送的信号,发送指令驱动假肢手抓握;

所述假肢手模块(4),由假肢手本体、驱动手指运动的电机及安装在假肢手手指指肚上的FSR力传感器贴片组成;

所述抓握力反馈模块(5),佩戴在患者的残臂上,由振动触觉传感器构成,接收FSR力传感器的抓握力值信号,然后将其反馈给患者残臂,便于患者感知抓握力大小。

2.如权利要求1所述的基于MYO臂环的假肢手控制系统,其特征在于,通过MYO臂环(11)的蓝牙接口读取采集手臂的sEMG数据;

通过PC机读取六维力传感器(12)采集正常人手的抓握力值数据;其中,根据待识别的8个抓握力档次数选择通道个数;为兼顾识别率和实时性,满足日常抓握需要或者通道个数M取3,3个通道可准确识别8个抓握力档次。

3.一种基于MYO臂环的假肢手控制系统的控制方法,其特征在于,包括:步骤A离线训练,步骤B在线识别和抓握力预测,步骤C抓握力反馈。

4.如权利要求3所述的基于MYO臂环的假肢手控制系统的控制方法,其特征在于,所述步骤A离线训练,包括:A1模式分类训练和A2sEMG-力回归模型训练;

所述A1模式分类训练,包括:

A11将抓握力划分为不同的档次,根据各档次的抓握力值采集正常人对应的sEMG数据,通过六维力传感器(12)采集正常人手抓握力值数据;

A12提取时域特征值:绝对平均值MAV、均方根值RMS、标准差SD和波形长度WL;

A13时域特征值矩阵经PCA降维后,利用BP神经网络进行模式分类训练,并保存训练后的权值和阈值;

所述A2sEMG-力回归模型训练,包括:

A21通过降维后的时域特征值矩阵与抓握力值数据一起构建训练样本;

A22分别训练各抓握力值档次的sEMG-力回归模型;

A23保存训练的各模型的参数。

5.如权利要求3所述的基于MYO臂环的假肢手控制系统的控制方法,其特征在于,所述步骤B在线识别和抓握力预测,包括:

B1通过MYO臂环(11),实时采集患者手臂肌肉的sEMG信号;

B2通过STM32模块(2)读取sEMG数据,判断手部动作起止点,提取其时域特征值并进行PCA降维处理;

B3根据步骤A1模式分类训练的结果识别出其对应的抓握力档次;

B4根据步骤A2sEMG-力回归模型训练的结果预测手的抓握力值,将该抓握力值作为抓握力控制的给定信号;

B5通过模糊控制器模块(3)控制手指驱动电机的转速和转向,将假肢手的抓握力控制到给定的档次。

6.如权利要求3所述的基于MYO臂环的假肢手控制系统的控制方法,其特征在于,所述步骤C抓握力反馈,包括:通过振动触觉传感器的不同频率和幅值作为抓握力反馈信号,使截肢患者能够获取实际抓握力的档次值。

7.如权利要求4所述的基于MYO臂环的假肢手控制系统的控制方法,其特征在于,所述步骤A离线训练,通过PC机完成并存储离线训练过程和训练数据及训练结果,再将训练所得的参数下载至STM32模块(2)。

8.如权利要求4所述的基于MYO臂环的假肢手控制系统的控制方法,其特征在于,所述A12时域特征值,其各时域特征值计算方法如下:

<mrow> <msub> <mi>MAV</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>N</mi> </mfrac> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <mi>x</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

<mrow> <msub> <mi>RMS</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>N</mi> </mfrac> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <mi>x</mi> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

<mrow> <msub> <mi>SD</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mi>N</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </mfrac> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> <mo>-</mo> <mi>&mu;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

<mrow> <msub> <mi>WL</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mrow> <mi>N</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </munderover> <mo>|</mo> <mi>x</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mi>x</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>|</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

式中x(i)为每次采样的sEMG信号数据,N为每个通道的数据个数,μ为N个数据的均值,k=1,…,M,M为通道个数。

9.如权利要求5所述的基于MYO臂环的假肢手控制系统的控制方法,其特征在于,所述步骤B在线识别和抓握力预测,通过STM32模块(2)读取、处理sEMG信号并识别各个档次的抓握力值;

通过模糊控制器模块(3)控制假肢手上电机的转速和转向,实现假肢手的抓握力动作。

10.如权利要求5所述的基于MYO臂环的假肢手控制系统的控制方法,其特征在于,所述B2提取其时域特征值并经PCA降维处理,包括以下步骤:

B21读取MYO臂环(11)的M个通道sEMG数据;

B22根据各通道sEMG信号的时域特征值MAV,确定手部动作起止时间点;

B23在手部动作起止时间内依次截取一段sEMG信号作为一维信号序列,对每个信号序列提取n个时域特征值,得到M个n维的时域特征值矩阵;

B24采用PCA降维法对时域特征值矩阵降维,得到M个k维的降维时域特征值矩阵。

11.如权利要求5所述的基于MYO臂环的假肢手控制系统的控制方法,其特征在于,所述B5模糊控制器模块(3)采用在线推理的模糊控制算法,以误差和误差变化为输入,驱动电机的转速和转向为输出。

12.如权利要求6所述的基于MYO臂环的假肢手控制系统的控制方法,其特征在于,所述振动触觉传感器中的电机产生4种振动频率,每种振动频率下有两种不同的幅值,即组合产生8种不同频率和幅值的振动信号,对应8种抓握力档次;

所述假肢手的实际抓握力,通过假肢手模块(4)中安装在假肢手手指指肚上的FSR力传感器贴片测量的信号,经振动触觉传感器将其转换成对应档次的振动信号传送给患者残臂,使患者获取假肢手的实际抓握力档次值,患者根据该值调节假肢手的抓握力,从而实现假肢手的准确抓握。

13.如权利要求10所述的基于MYO臂环的假肢手控制系统的控制方法,其特征在于,所述步骤B22中,手部动作起止时间点确定方法为:

计算各通道sEMG信号的绝对平均值并求和,并与事先设定的门限阈值作比较判断动作起止,将对应的时间点作为动作起止点。

当前第2页1 2 3 
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1