一种基于表面肌电信号的游戏控制系统的制作方法

本实用新型属于生物医学信息处理领域，尤其涉及一种基于表面肌电信号的游戏控制系统。

背景技术：

传感器技术和信号处理技术的发展使得便携式计算机设备直接感知肌肉活动成为可能。多种类的人体生理信号识别结果可转换为多自由度控制指令，在康复医学中为病患提供一种操作辅助设备的方法，在人机交互中用户可以根据情境自由选择合适的动作种类表达自身意图并与外界环境进行信息交换，在普适计算中可以智能感知用户无意识的动作，判断用户需求并提供人性化的服务。这其中重要的应用方向之一是表面肌电识别。

基于表面肌电信号的人体动作识别与交互可实现穿戴式电生理系统，突破传统的基于键盘和鼠标的人机交互的局限性，探索新颖的人与环境的信息传递方式。人体动作识别是指计算机自动检测、分析和理解人体各类运动和行为，判断人的意图并提供相应服务的过程。具体应用包括：多模态人机交互，使得用户以自然便利的方式操作计算机；通过体感游戏直接获取人体动作数据用于游戏控制等。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于提供一种基于表面肌电信号的游戏控制系统，通过人体的动作能够直接控制游戏，在玩游戏时，给人带来更直观的感受。

为达到以上目的，本实用新型采用的技术方案为：一种基于表面肌电信号的游戏控制系统，其特征在于，包括固定在人体上的肌电采集盒、与肌电采集盒信号连接的表面电极、与肌电采集盒信号连接的信号接收设备以及与信号接收设备信号连接的计算机，所述表面电极贴在身体皮肤表面并能够根据其所在位置附近肌肉的运动生成肌电信号，所述计算机能够对肌电信号进行分析，并且根据分析的结果控制安装在计算机内的游戏。

优选地，所述肌电采集盒内设置有与表面电极信号连接的微处理器和与微处理器信号连接的通讯模块，所述信号接收设备也设置有通讯模块，所述肌电采集盒与信号接收设备通过各自的通讯模块实现信号连接。

优选地，所述通讯模块均为无线通讯模块。

优选地，所述肌电采集盒内还设置有三轴加速度传感器，所述三轴加速度传感器与微处理器信号连接。

优选地，所述计算机对接收的肌电信号通过自回归模型进行特征提取。

优选地，所述计算机对提取的特征通过支持向量机分类算法进行分类。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

该控制系统通过手臂等身体部位来控制安装于计算机内的游戏，具有可玩性高，能够使用户得到更亲身的体验。

附图说明

图1是根据本实用新型的一个优选实施例的肌电采集盒的安装图

图2是根据本实用新型的一个优选实施例的原理图

图3是根据本实用新型的一个优选实施例的计算机对采集到的信号处理的流程图

图4是根据本实用新型的一个优选实施例的陷波滤波器的电路图

具体实施方式

以下描述用于揭露本实用新型以使本领域技术人员能够实现本实用新型。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。

如图1和图2所示的一种基于表面肌电信号的游戏控制系统，包括固定在手臂上的肌电采集盒1、与肌电采集盒1信号连接的信号采集设备2、与肌电采集盒1信号连接的信号接收设备3以及与信号接收设备3信号连接的计算机4，所述信号采集设备2为贴在手臂皮肤表面的表面电极，所述表面电极能够根据其所在位置附近肌肉的运动生成肌电信号。在所述计算机4内设置有肌电信号分析模块用以对肌电信号进行分析，并且根据分析的结果控制安装在计算机4内的游戏。

所述肌电采集盒1内设置有差分放大电路11、A/D转换模块12、微处理器16以及通讯模块13，所述差分放大电路11与表面电极信号连接用以对表面电极采集的肌电信号进行放大，所述A/D转换模块12与差分放大电路11的输出端连接用以将电信号转换为数字信号，所述A/D转换模块12的输出端与微处理器16信号连接，所述微处理器16与通讯模块13信号连接，所述微处理器16在接收到A/D转换模块12发来的肌电信号之后能够控制通讯模块13发出肌电信号。其中，差分放大电路11、A/D转换模块12、微处理器16以及通讯模块13可以采用现有技术。

具体地，所述差分放大电路11包括前置级放大电路、与前置级放大电路的输出端连接的陷波滤波器以及两个反相放大器，所述前置级放大电路的放大倍数为20，可以采用型号为AD8422的两级运算放大器。所述陷波滤波器的频率为50Hz。所述两个反相放大器串联设置，两者的放大倍数为25，反向放大器的型号为TL062，在此配置下，差分放大电路11的总的放大倍数为500，放大后输出的电压范围为-2.5V～+2.5V。

所述肌电采集盒1内还设置有与A/D转换模块12的输入端相连的三轴加速度传感器14用于测量手臂在控制贪吃蛇运动中相对惯性空间转角信号信号，通过惯性空间转角信号能够确定手臂的指向。所述三轴加速度传感器14检测到的相对惯性空间转角信号和表面电极检测到的肌电信号一起作为动作特通过通讯模块13发送到信号接收设备3。

所述信号接收设备3包括通讯模块31和与通讯模块31的输出端信号连接的接口转换模块32，所述通讯模块31与通信模块12信号连接，所述通讯模块31将接收到的肌电信号和加速度通过接口转换模块32发送到计算机。所述接口转换模块32具体为USB转串口芯片CH340G。

所述通讯模块12和31采用无线网络进行通讯，具体均采用型号为CC1110的无线收发芯片。

进一步，在所述肌电采集盒1内且在所述差分放大电路11和A/D转换模块12之间设置有带通滤波电路15用以滤除肌电信号中的噪音，所述带通滤波电路15的输入端连接差分放大电路11的输出端，所述带通滤波电路15的输出端连接A/D转换模块12的输入端。

所述肌电采集盒1内还设置有电池，所述电池用以为肌电采集盒1内的电路供电。

所述计算机内安装有分析软件用以对从信号接收设备3接收的肌电信号和惯性空间转角信号进行处理，包括动作特征提取和动作特征分类。

所述动作特征为用于控制贪吃蛇游戏的动作，包括向上、向下、向左以及向右。

所述动作特征提取采用自回归(AR)模型对接收到的肌电信号和惯性空间转角信号分别进行处理，需要提取的动作特征为AR模型的当前输出，AR模型的当前输出是现在输入和过去输入的加权和，公式如下：

p为AR模型的阶数，a_k为AR模型系数，u(n)为均值零、方差σ²的白噪声序列。a_k作为特征值，根据经验，阶数p优选为6。并且，f(n)为现在输入，f(n-k)为过去输入，并且f(n)和f(n-k)在本实施例中为肌电信号或者惯性空间转角信号，具体地，两者为电压值，当前输出为a_k，即通过计算出的AR模型系数来对贪吃蛇游戏进行控制。

所述动作特征提取的算法在MATLAB平台下完成，利用NET Builder将MATLAB中的m函数编译为COM组件生成动态链接库供VC调用，之后根据界面提示做贪吃蛇等游戏控制动作进行训练。

所述动作特征分类是在动作特征提取后根据提取到的参数判断手臂所做的动作，所述动作特征分类功能由SVM(支持向量机)算法完成。

为了使SVM算法的分类更加准确，上述分析软件还具有训练和学习功能。在训练和学习时，软件进入训练和学习界面，在界面上随机出现向上、向下、向左以及向右的箭头，在出现箭头时，手臂做出相应的指向，通过不断地训练和学习，SVM算法不断地得到优化，使其分类更加的准确。其中通过训练和学习能够使SVM算法得到优化是现有技术，不再详述。

该控制系统控制游戏的过程如下：手臂动作，肌电采集盒采集表面电极和三轴加速度传感器14发出的信号并经过一系列电路的处理之后进入到计算机，计算机内的分析软件对接收到的信号进行动作特征提取和对提取的动作特征进行分类，并根据得到的分类信号控制贪吃蛇游戏。所述贪吃蛇游戏集成在上述分析软件中，在分析软件界面中具有贪吃蛇游戏界面。并且，在控制游戏的过程中，分析软件会记录来自手臂的动作信号和控制游戏需要的动作不一致的情况和总共需要的动作进而实时地计算出识别精度并在分析软件中显示。

并且，上述分析软件能够将接收到的肌电信号和惯性空间转角信号进行存储，并且能够对存储的上述信号进行读取，同时能够以波形的形式显示出来。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型的范围内。本实用新型要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。