基于人体肌电信号控制的上下肢运动辅助系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于人体肌肌电信号控制的上下肢运动辅助系统，包括仿生辅助装置、肌电信号处理模块、仿真驱动模块以及使用者数据库；所述肌电信号处理模块通过仿真处理方法将采集的肌电信号进行处理和仿真，然后将信号发送至仿真驱动模块，仿真驱动模块对仿生辅助装置进行运动模式控制，使用者数据库是记录使用者自身运动习惯和强度，并根据运动行为由专家手动或者算法自动调整肌肉电信号的处理算法和仿真输出时间和幅度；经过处理后的肌电信号储存在使用者数据中，当采集的肌电信号与使用者数据库相匹配时，向肌电信号处理模块发出特定的运动模式，达到利用人体自身表面肌肉信号控制可穿戴假手/臂/脚/腿的目的。

Upper and lower limbs movement auxiliary system based on human myoelectric signal control

The invention discloses a motor auxiliary system of the human body muscle EMG based control, including bionic auxiliary device, EMG signal processing module, simulation module and user driven database; the EMG signal processing module for EMG signal processing and simulation by the simulation method, and then the signal is sent to the simulation drive the simulation module, drive module for the motion control of the bionic model auxiliary device, the user database is recorded the user's own exercise habits and strength, automatically adjust the EMG and movement behavior by experts according to the manual or algorithm processing algorithm and simulation output time and amplitude of EMG signals; after the data stored in the user, when the EMG signal with the user database collection matching, EMG signal processing module to a special Motion pattern set, to achieve the purpose of the human body surface muscle signal control wearable hand / arm / leg / foot.

【技术实现步骤摘要】
基于人体肌电信号控制的上下肢运动辅助系统
本专利技术一种新型仿生假肢运动领域，尤其是一种基于人体肌电信号控制的上下肢运动辅助系统。
技术介绍
假肢作为截肢者的必需品，在全球众多肢体残疾的患者中，仅有少数人能负担得起佩戴假肢。现在市场上的假肢大部分是装饰性假肢，外观设计跟真实手臂一样，但没有任何功能；部分假肢开始尝试通过生物电流信号来控制其运动，商业化后价格昂贵，且手势单一，一般家庭难以承受。目前的仿生手/臂/脚/腿，大部分是装饰性作用，没有实质的器官功能；并且设计单一标准化，对具体的个性化需求，例如形状，大小，链接方式，适用性低；部分研究机构可以提供，通过肌电或者脑电控制的仿生手/臂/脚/腿，存在着成本高，算法不稳定，运算时间长。目前市场上的通过肌电的解决方案，一般直接对单一肌肉表面信号进行信号幅度采集，用于作为肌肉触发指定运动的指令。现存的方法会受到周围电磁信号，本身人体运动低频信号，电机带入噪声，其他肌肉族群信号，深部肌肉信号及白噪声的影响。导致运动指令不明确和主观意识运动不可按质按量的完成。目前实验室的解决方案，为了避免上述的信号干扰，使得信号更加完整和精确，大量的运行后台算法，例如小波分析，而这样大量的运算对处理器的速度和能力要求很高，配置在现有的可穿戴假手/臂/脚/腿中虽然单一信号处理精度提高了，但成本大大提高，运算稳定性反而降低，仅适用于实验室科研，不适用广泛的市场推广。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种基于人体肌电信号控制的上下肢运动辅助系统。技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术提供的一种基于人体肌电信号控制的上下肢运动辅助系统，包括仿生辅助装置、肌电信号处理模块、仿真驱动模块以及使用者数据库；所述肌电信号处理模块通过仿真处理方法将采集的肌电信号进行处理和仿真，然后将信号发送至仿真驱动模块，仿真驱动模块对仿生辅助装置进行运动模式控制，使用者数据库是记录下使用者自身运动习惯和强度，并根据运动行为由专家手动或者算法自动调整肌肉电信号的处理算法和仿真输出时间和幅度；经过处理后的肌电信号储存在使用者数据中，当采集的肌电信号与使用者数据库相匹配时，向肌电信号处理模块发出特定的运动模式。进一步地，所述仿生辅助装置包括根据用户情况3D打印的可穿戴仿生手/臂/脚/腿。进一步地，所述仿真驱动模块包括电机驱动电路。进一步地，所述肌电信号处理模块包括以下程序步骤：1)选取完成特定动作的相关肌肉或肌肉群；2)利用表面电极提取表面肌肉信号；3)消除白噪声，环境电磁信号，自身肢体运动产生的低频信号；4)频域谱分析，滤波，转换回时域一维信号；通过表面电极在皮肤表面提取的肌肉信号内参杂着大量的外界环境和自身运动产生的低频信号，对提取的表面肌肉电信号进行频谱分析，将时域一维数字信号转换到其频域，从而获得各个信号源产生的信号的频谱信息，在频谱0Hz-500Hz的频域信号里，通过低通和带通滤波器，消除环境噪声(50Hz信号)，运动低频信号(小于2Hz信号)，深层肌肉产生的干扰信号，使得最终用于仿真输出的信号频谱落于8Hz-500Hz之间，并将其转换回时域信号空间。5)拟合单一肌肉在指定运动动作中收缩强度变化曲线，肌肉反应时间，收缩时间，衰减时间；即对时域和频域信号进行拟合，从拟合曲线中可分析出肌肉反应时间，收缩时间，衰减时间；6)两组或者多组肌肉在同一指定动作中的各个相关参数的相关性分析和曲线拟合；每一个指定动作的完成都是通过一组或者多组肌肉群共同作用完成的，在完成特定的指定动作中，肌肉群的每个肌肉的开始反应时间，收缩时间，和衰减时间有着特定的变化和表征，通过提取这些相关的参数，反应时间，收缩时间和衰减时间，并通过曲线拟合及信号相关性算法，获得肌肉信号的相关性和拟合曲线，为下一步的仿真建模提供输入参数；7)仿真建模对指定动作的各个肌肉群的肌电信号及相关时间和强度关系；对同一指定动作下的每组肌肉群的特性参数，肌肉反应时间，收缩时间，衰减时间，及其肌肉群之间的反应时间和肌肉强度的相关性进行仿真建模(仿真建模流程如下公式所示)，这里产生的仿真建模信号作为最终的控制信号输入到外接控制器。仿真建模流程：肌肉表面电信号由多个肌肉运动单元组产生的电脉冲组成，运动单元组产生的电脉冲由每个单元组中的无数单一肌肉纤维电脉冲组成，其中，所述步骤7)仿真建模流程如下：肌肉表面电信号由多个肌肉运动单元组产生的电脉冲组成，运动单元组产生的电脉冲由每个单元组中的无数单一肌肉纤维电脉冲组成，其中，7.1)运动单元组产生的电脉冲Vmui，其中，Vmui可以由公式2推导得出；fri是运动单元释放率，并且遵循泊松分布7.2)单一运动单元组产生的电脉冲Vmu，其中，是基于一个给定运动单元中的单一肌肉纤维电脉冲；Nf是肌肉纤维数；7.3)每一个运动单元组的肌肉收缩时间，其中，n＝1，2，...，Nmu；Nmu是基于给定肌肉包含的运动单元的数量；fr是运动单元释放率中值，默认值为fr＝85ms；7.4)单一肌肉纤维电脉冲V(x，y，z)，其中，肌肉纤维细胞间电脉冲ei(z)；7.5)肌肉纤维细胞间电脉冲ei(z)，ei(z)＝96z3e-z-90(5)其中ei(z)是肌肉纤维细胞间电脉冲；z是轴向方向距离，单位毫米；s是纤维截面；σi是细胞间传导率；σm是肌肉传导率；r是纤维截面到观察点的距离；7.6)肌肉传导率σm，肌肉轴向传导率σz和肌肉径向传导率σy7.7)根据格林定律，单一肌肉纤维电脉冲可以推导如公式(7)，其中，s1，s2是肌肉纤维两端的截面，S是肌肉纤维截面；其中，d是纤维直径，H1没有含义，只是公式的简化，提取出来的系数。8)存储和发送信号给外接控制器；9)仿真手/臂/脚/腿完成肌肉输出信号的指定动作。进一步地，所述运动模式包括握拳、展开、OK、V型手势。本专利技术提供基于人体肌电信号控制的上下肢运动辅助系统，表面肌肉电信号提取和采集的精度提高了；环境信号，外周干扰信号，其它非参与肌肉信号被干净排除；结合相对肌肉组信号对运动行为的发出明确的强度和时间的指令；用肌电信号直接控制，识别率高，实时性好，反应灵敏，成本低，方便实用。附图说明图1是本专利技术流程示意图。图2是电机驱动电路电路图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作更进一步的说明。如图1所示，一种基于人体肌电信号控制的上下肢运动辅助系统，包括仿生辅助装置、肌电信号处理模块、仿真驱动模块以及使用者数据库；所述肌电信号处理模块通过仿真处理方法将采集的肌电信号进行处理和仿真，然后将信号发送至仿真驱动模块，仿真驱动模块对仿生辅助装置进行运动模式控制，使用者数据库是记录下使用者自身运动习惯和强度，并根据运动行为由专家手动或者算法自动调整肌肉电信号的处理算法和仿真输出时间和幅度；经过处理后的肌电信号储存在使用者数据中，当采集的肌电信号与使用者数据库相匹配时，向肌电信号处理模块发出特定的运动模式。所述肌电信号处理模块包括以下程序步骤：1)选取完成特定动作的相关肌肉或肌肉群；2)利用表面电极提取表面肌肉信号；3)消除白噪声，环境电磁信号，自身肢体运动产生的低频信号；4)频域谱分析，滤波，转换回时域一维信号；通过表面电极在皮肤表面提取的肌肉信号内参杂着大量的外界环境和自身运动产生的低频本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于人体肌电信号控制的上下肢运动辅助系统，其特征在于：包括仿生辅助装置、肌电信号处理模块、仿真驱动模块以及使用者数据库；所述肌电信号处理模块通过仿真处理方法将采集的肌电信号进行处理和仿真，然后将信号发送至仿真驱动模块，仿真驱动模块对仿生辅助装置进行运动模式控制，使用者数据库是记录使用者自身运动习惯和强度，并根据运动行为由专家手动或者算法自动调整肌肉电信号的处理算法和仿真输出时间和幅度；经过处理后的肌电信号储存在使用者数据中，当采集的肌电信号与使用者数据库相匹配时，向肌电信号处理模块发出特定的运动模式。

【技术特征摘要】
1.一种基于人体肌电信号控制的上下肢运动辅助系统，其特征在于：包括仿生辅助装置、肌电信号处理模块、仿真驱动模块以及使用者数据库；所述肌电信号处理模块通过仿真处理方法将采集的肌电信号进行处理和仿真，然后将信号发送至仿真驱动模块，仿真驱动模块对仿生辅助装置进行运动模式控制，使用者数据库是记录使用者自身运动习惯和强度，并根据运动行为由专家手动或者算法自动调整肌肉电信号的处理算法和仿真输出时间和幅度；经过处理后的肌电信号储存在使用者数据中，当采集的肌电信号与使用者数据库相匹配时，向肌电信号处理模块发出特定的运动模式。2.根据权利要求1所述的基于人体肌电信号控制的上下肢运动辅助系统，其特征在于：所述仿生辅助装置包括根据用户情况3D打印的可穿戴仿生手/臂/脚/腿。3.根据权利要求1所述的基于人体肌电信号控制的上下肢运动辅助系统，其特征在于：所述仿真驱动模块包括电机驱动电路。4.一种基于权利要求1中的基于人体肌电信号控制的上下肢运动辅助系统，其特征在于：所述肌电信号处理模块对肌电信号进行处理和仿真处理过程包括以下程序步骤：1)选取完成特定动作的相关肌肉或肌肉群；2)利用表面电极提取表面肌肉信号；3)消除白噪声，环境电磁信号，自身肢体运动产生的低频信号；4)频域谱分析，滤波，转换回时域一维信号；5)拟合单一肌肉在指定运动动作中收缩强度变化曲线，肌肉反应时间，收缩时间，衰减时间；6)两组或者多组肌肉在同一指定动作中的各个相关参数的相关性分析和曲线拟合；7)仿真建模对指定动作的各个肌肉群的肌电信号及相关时间和强度关系；8)存储和发送信号给外接控制器；9)仿真手/臂/脚/腿完成肌肉输出信号的指定动作。5.根据权利要求1所述的基于人体肌电信号控制的上下肢运动辅助系统，其特征在于：所述运动模式包括握拳、展开、OK、V型手势。6.根据权利要求4所述的基于人体肌电信号控制的上下肢运动辅助系统，其特征在于：所述步骤7)仿真建模流程如下：肌肉表面电信号由多个肌肉运动单元组产生的电脉冲组成，运动单元组产生的电脉冲由每个单元组中的无数单一肌肉纤维电脉冲组成，其中，7.1)运动单元组产生的电脉冲Vmui，其中，Vmui可以由公式2推导得出；i＝1～n，Vmuti是各个单一运动单元组产生的电脉冲数，n为正整数；fri是运动单元释放率，并且遵循泊松分布；7.2)单一运动单元组产生的电脉冲Vmu，

【专利技术属性】
技术研发人员：王薇，雷硕，
申请(专利权)人：上海术理智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31