一种基于LABVIEW平台的康复机器人手部在线动作识别系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于LABVIEW平台的康复机器人手部在线动作识别系统，属于电子科学与康复医学领域。该系统硬件部分包括上位机、ARM处理器、穿戴康复手套模块、肌电信号采集模块；软件部分包括在线手势识别、手部康复训练、LABVIEW康复状态显示模块。穿戴康复手套模块包括气动肌腱、比例阀、指套以及驱动指套的连杆、驱动肌腱的驱动电路，肌电信号采集模块由肌电电极，低噪声前置放大器、信号调理电路、数据采集卡组成。LABVIEW康复状态显示模块包括数据采集单元、用户密码登陆单元、特征及类别显示单元。本发明专利技术利用LABVIEW丰富的功能控件以及实时数据处理的优势，将基于肌电的手部动作在线识别过程可视化，方便对识别过程进行监测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于LABVIEW平台的康复机器人手部在线动作识别系统
本专利技术涉及一种基于LABVIEW平台的康复机器人手部在线动作识别系统，属于电子科学与康复医学领域。
技术介绍
随着社会的不断发展，各种原因导致的残疾人口数量也在不断的增加。关爱残疾人，帮助残疾人更好的生活是社会各界普遍关注的重大课题，利用先进的科技手段帮助残疾人进行有效的康复治疗是现在研究的热点。人机交互技术在手部运动康复中起到至关重要的作用，选择载有丰富运动信息的前臂表面肌电信号作为人机交互信息，赋予装置能够理解手部运动意图的能力。同时开发穿戴康复手套系统，即肌电数据的采集及实时识别，并通过ARM微处理器及驱动电路驱动穿戴康复手套辅助偏瘫患者的手部进行运动。以促进肌肉的再学习，直至康复为止。然而，在整个康复训练过程中，我们无法获得患者的肌电数据及康复信息，很难判断患者的康复情况。LABVIEW具有直观的图形化开发环境，强大的数据处理功能，丰富的可视化显示功能，完备的仪器驱动程序，完善的外部代码接口和强大的网络功能等特点。
技术实现思路
为了解决克服在线手部动作识别速率低、无法实时显示康复训练状态、监测手部运动等问题，本专利技术提出了一种基于LABVIEW平台的康复机器人手部在线动作识别系统，基于LABVIEW平台上、以表面肌电信号作为人机交互信息，构造一个实时在线采集肌电数据、实时识别、实时控制、实时监测患者手部康复训练状态的系统，具有操作简便，读数直观，方便监测、可以捕捉识别异常的特点，可广泛应用于偏瘫患者的手部康复训练中。本专利技术为解决其技术问题采用如下技术方案：一种基于LABVIEW平台的康复机器人手部在线动作识别系统，包括上位机、ARM处理器、穿戴康复手套模块和肌电信号采集模块，其中：上位机和ARM处理器之间通过串口通信，肌电信号采集模块、ARM处理器和穿戴康复手套模块顺序连接；所述上位机包括在线手势识别模块、手部康复训练模块、LABVIEW康复状态显示模块；所述ARM处理器，通过输出PWM波控制穿戴康复手套模块，同时通过模数转换获取肌电信号采集模块采集的肌电信号；所述穿戴康复手套模块，用于驱动患者手指；所述肌电信号采集模块负责采集处理肌电信号，将采集到的肌电信号传送至LABVIEW平台显示，进行进一步预处理；所述在线手势识别模块，用于在线实时判断肌电信号对应运动意图；所述手部康复训练模块，用于依据肌电信号对应运动意图驱动患者手指，帮助用户进行康复训练；所述LABVIEW康复状态显示模块，用于通过LABVIEW可视化平台显示患者的肌电信号形状、康复状态状态、运动意图。所述穿戴康复手套模块包括气动肌腱、比例阀、指套以及驱动指套的连杆、驱动肌腱的驱动电路，其中所述驱动肌腱的驱动电路与比例阀相连，通过控制比例阀的开的幅度和时长来控制气动肌腱的收缩长度和时长，气动肌腱与驱动指套的连杆相连，驱动连杆带动指套显现相应的康复训练动作。所述肌电信号采集模块包括肌电电极，低噪声前置放大器、信号调理电路、数据采集卡，其中肌电电机采集的信号通过低噪声前置放大器放大，然后通过信号调理电路调理滤波，最后被数据采集卡采集。所述数据采集卡的型号为MPS-080102USB。所述在线手势识别模块包括运动识别模型训练单元和在线识别单元，其中运动识别模型训练单元负责离线训练KNN分类器，在线识别单元负责实时对采集到的肌电信号进行动作模式的识别。所述LABVIEW康复状态显示模块包括数据采集单元、用户密码登陆单元和特征及类别显示单元。本专利技术的有益效果如下：（1）此专利技术可供多人使用，重复利用率高。（2）该康复训练方法能够实时识别手部动作及控制患侧手，提高康复训练的效率。（3）该康复训练方法能够辅助偏瘫患者进行自主康复训练，对于提高患者生活自理能力具有显著作用。（4）康复医师及患者可以实时观察康复训练的过程，方便对训练进行监测。附图说明图1为本专利技术一种基于LABVIEW平台的康复机器人手部在线动作识别系统的系统结构图。图2为本专利技术在线手势识别模块流程图。图3为本专利技术手部康复训练模块流程图。图4为本专利技术信号调理电路图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术创造作进一步详细说明。图1为本专利技术一种基于LABVIEW平台的康复机器人手部在线动作识别系统的系统结构图。该系统硬件部分包括上位机、ARM处理器、穿戴康复手套模块、肌电信号采集模块；软件部分包括在线手势识别、手部康复训练、LABVIEW康复状态显示模块。其中：上位机和ARM处理器之间通过串口通信，肌电信号采集模块、ARM处理器和穿戴康复手套模块顺序连接。ARM处理器，通过输出PWM波控制穿戴康复手套模块，同时通过模数转换获取肌电信号采集模块采集的肌电信号；穿戴康复手套模块，用于驱动患者手指，包括气动肌腱、比例阀、指套以及驱动指套的连杆、驱动肌腱的驱动电路，其中驱动电路与比例阀相连，通过控制比例阀的开的幅度和时长来控制气动肌腱的收缩长度和时长，气动肌腱与驱动指套的连杆相连，驱动连杆带动指套显现相应的康复训练动作。肌电信号采集模块负责采集处理肌电信号，由肌电电极，低噪声前置放大器、信号调理电路、数据采集卡组成，其中肌电电机采集的信号通过低噪声前置放大器放大，然后通过信号调理电路调理滤波，最后被数据采集卡采集。并且将采集到的肌电信号传送至LABVIEW平台显示，进行进一步预处理。数据采集卡选择型号为MPS-080102USB，数据采集卡和ARM微处理器连接，ARM微处理器完成采集到的肌电信号数据的A/D转换，并且通过串口通信方式将采集的数据实时传送到上位机。上位机读取数据并进行预处理，通过在线手势识别得到动作类别，将特征及类别显示在设计的LABVIEW界面上。该系统的LAVBIEW康复状态显示模块包括以下几部分：（1）数据采集单元，融合了串口通信和图像显示。包括信号采集开始及终止的控制区域、串口传送数据区域、肌电信号波形显示区域。（2）用户密码登陆单元，登录系统通过输入用户名和密码来确认用户登录的权限，后台程序中会设置初始的用户名和密码。同时提供用户名和密码的修改程序，提供显示界面来帮助用户输入。（3）特征及类别显示单元，包括特征参数显示区域、手势识别区域以及肌电数据转换的频域图区域。图2为本专利技术在线手势识别模块流程图。该系统的在线手势识别包括运动识别模型训练和在线识别两部分，其中运动识别模型训练单元负责离线训练KNN分类器，在线识别单元负责实时对采集到的肌电信号进行动作模式的识别：（1）运动识别模型训练：首先获取多组肌电信号数据，对获取的肌电数据进行工频去燥和巴特沃斯滤波处理，减少信号的基线漂移及噪声干扰；其后提取预处理后的信号的具有区分性的特征，即时域特征峰度、频域特征肌电积分值；最后将提取到的特征送入KNN分类器进行训练，进行动作模式的识别。（2）在线识别：首先通过下位机实时采集两通道肌电数据，然后在上位机通过MATLAB对肌电信号进行信号预处理，其后提取特征，最后将提取的特征送入离线训练好的KNN分类器，得到动作识别结果。图3为本专利技术手部康复训练模块流程图。该系统的手部康复训练模块的功能包括以下步骤：（1）ARM微处理器通过肌电传感器采集肌电信号，然后将采集到到的信号经过信号调理电路及放大电路的处理后，经ARM模数转换后通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于LABVIEW平台的康复机器人手部在线动作识别系统，其特征在于，包括上位机、ARM处理器、穿戴康复手套模块和肌电信号采集模块，其中：上位机和ARM处理器之间通过串口通信，肌电信号采集模块、ARM处理器和穿戴康复手套模块顺序连接；所述上位机包括在线手势识别模块、手部康复训练模块、LABVIEW康复状态显示模块；所述ARM处理器，通过输出PWM波控制穿戴康复手套模块，同时通过模数转换获取肌电信号采集模块采集的肌电信号；所述穿戴康复手套模块，用于驱动患者手指；所述肌电信号采集模块负责采集处理肌电信号，将采集到的肌电信号传送至 LABVIEW平台显示，进行进一步预处理；所述在线手势识别模块，用于在线实时判断肌电信号对应运动意图；所述手部康复训练模块，用于依据肌电信号对应运动意图驱动患者手指，帮助用户进行康复训练；所述LABVIEW康复状态显示模块，用于通过LABVIEW可视化平台显示患者的肌电信号形状、康复状态状态、运动意图。

【技术特征摘要】
1.一种基于LABVIEW平台的康复机器人手部在线动作识别系统，其特征在于，包括上位机、ARM处理器、穿戴康复手套模块和肌电信号采集模块，其中：上位机和ARM处理器之间通过串口通信，肌电信号采集模块、ARM处理器和穿戴康复手套模块顺序连接；所述上位机包括在线手势识别模块、手部康复训练模块、LABVIEW康复状态显示模块；所述ARM处理器，通过输出PWM波控制穿戴康复手套模块，同时通过模数转换获取肌电信号采集模块采集的肌电信号；所述穿戴康复手套模块，用于驱动患者手指；所述肌电信号采集模块负责采集处理肌电信号，将采集到的肌电信号传送至LABVIEW平台显示，进行进一步预处理；所述在线手势识别模块，用于在线实时判断肌电信号对应运动意图；所述手部康复训练模块，用于依据肌电信号对应运动意图驱动患者手指，帮助用户进行康复训练；所述LABVIEW康复状态显示模块，用于通过LABVIEW可视化平台显示患者的肌电信号形状、康复状态状态、运动意图。2.根据权利要求1所述的一种基于LABVIEW平台的康复机器人手部在线动作识别系统，所述穿戴康复手套模块包括气动肌腱、比例阀、指套以及驱动指套的连杆、驱动肌腱的驱动电路，其中所述驱动肌腱的驱...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘阳，王从庆，石军梅，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32