一种肌电仿人灵巧假肢手级联控制方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种肌电仿人灵巧假肢手级联控制方法，包括如下步骤：在模式控制下，采集使用者的模式肌电信号和复用肌电信号；对模式肌电信号采样，添加移动窗口；计算出移动窗口下的模式肌电信号的特征；将肌电信号的特征输入到分类模型，生成动作模式指令；由切换器切换到状态控制，根据复用肌电传感器信号的能量和动作模式指令，生成动作模式控制状态，驱动仿人灵巧假肢手运动；待运动终止，由切换器切换到模式控制。本发明专利技术还涉及一种肌电仿人灵巧假肢手级联控制系统，通过模式肌电传感器和复用肌电传感器采集残肢肌肉变化信号，控制肌电仿人灵巧假肢作出期望的动作。本发明专利技术提升仿人灵巧假肢手的控制精准度和可靠性，提高假肢接受率和普及率。

【技术实现步骤摘要】
一种肌电仿人灵巧假肢手级联控制方法和系统
本专利技术涉及医疗器械
，尤其涉及一种肌电仿人灵巧假肢手级联控制方法和系统。
技术介绍
肌电假肢是帮助截肢患者进行功能康复的有效手段，有望提升患者的生活质量。现有的肌电假肢自由度较少，只具备手头开合与腕部旋转功能，对残疾人恢复生活和工作能力的改善作用有限。因此，各大假肢厂商纷纷研制仿人灵巧假肢手。现有的仿人灵巧多自由度假肢，其肌电接口仍是传统的开关控制。通过频繁的肌肉收缩实现自由度间的切换，使得假肢控制繁琐、不自然。肌电模式识别的基本假设是：不同动作对应的肌电信号能映射为可区分的特征模式，并且同一动作产生的肌电信号模式可重复。该方法首先从单位窗长的多通道肌电信号中提取有用特征，然后通过预先训练的分类器识别出动作模式。但是模式识别法容易受到干扰因素的影响导致误识别，降低了操控效率，可靠性较差。正是由于仿人灵巧假肢的操控性能低，截肢患者的安装使用比例偏低。因此，本领域的技术人员致力于开发一种肌电仿人灵巧假肢手级联控制方法和系统，提升假肢的操控直观性与效率，增加仿人灵巧假肢手的普及率，改善截肢患者的生活质量。
技术实现思路
有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是实现动作的快速自然切换，避免误识别，确保模式动作的精准控制，兼顾仿人灵巧假肢手的控制直观性和可靠性。为实现上述目的，本专利技术提供一种肌电仿人灵巧假肢手级联控制方法，包括如下步骤：S1：在模式控制下，采集使用者的模式肌电信号和复用肌电信号；S2：对所述模式肌电信号采样，添加移动窗口；S3：计算出所述移动窗口下的所述模式肌电信号的特征；S4：将所述肌电信号的特征输入到分类模型，生成动作模式指令；S5：由所述模式控制状态切换到状态控制，根据所述复用肌电传感器信号的能量和所述动作模式指令，生成动作模式控制状态，驱动仿人灵巧假肢手运动；S6：待所述运动到终止状态，由所述状态控制切换到所述模式控制。进一步地，所述模式肌电信号为残肢前端表面产生的多通道模式肌电信号，通道个数大于等于4；所述复用肌电信号为残肢前端的一对拮抗肌产生的肌电信号，通道个数为2；一个所述复用肌电信号通道控制所述运动的正方向，另一个所述复用肌电信号通道控制所述运动的反方向；所述运动的速度与所述复用肌电信号的能量值呈正比例关系。进一步地，所述肌电信号特征是时域特征集、参数化时间序列AR模型特征集、倒谱系数特征集、双谱系数特征集、傅里叶频谱特征集、时频特征集中的任一种或多种组合；所述时域特征集是单位窗长内信号的绝对平均值、过零点数、斜率变化数和波形长度的任一种或多种组合。进一步地，所述分类模型是预训练的线性判别分类模型、支持向量机分类模型、多层感知器神经网络模型、高斯混合模型、模糊逻辑模型或隐马尔可夫模型中的任一种或多种组合。进一步地，在步骤S5由所述模式控制切换到所述状态控制，所述切换器产生物理提醒；在步骤S6由所述状态控制切换到所述模式控制，所述切换器产生物理提醒；所述物理提醒是声音提示、振动提示、电刺激提示中的任一种或多种组合。进一步地，其特征在于，在采集所述模式肌电信号和所述复用肌电信号时，对所述模式肌电信号和所述复用肌电信号进行放大和滤波处理；采样频率设置范围为500至1000Hz；放大倍数为1000至2000倍；滤波器带宽为20至450Hz。进一步地，所述移动窗口的窗长设置范围为0.2秒至0.3秒，移动步长设置为0.1秒。本专利技术还提供了一种肌电仿人灵巧假肢手级联控制系统，包括：模式肌电传感器、复用肌电传感器、级联控制器和电机驱动模块；其中：所述模式肌电传感器和所述复用肌电传感器将残肢肌肉的变化转化为电信号，送入所述级联控制器处理；所述级联控制器包括模式控制器、状态控制器和切换器；所述模式控制器用于识别所述模式肌电传感器和所述复用肌电传感器产生的信号，生成动作模式指令送入所述状态控制器；所述状态控制器分析所述复用肌电传感器信号的能量和所述动作模式指令，生成动作模式控制状态；所述切换器用于自动切换所述模式控制器和所述状态控制器的工作流；所述电机驱动模块根据所述动作模式控制状态驱动肌电仿人灵巧假肢手运动。进一步地，所述模式肌电传感器和所述复用肌电传感器内皆含信号发生器、放大电路、滤波电路；所述模式控制器包括信号分窗模块、特征提取模块和分类器；所述状态控制器包括信号能量分析模块和电机控制模块。进一步地，所述模式控制器生成连续的三个或多个动作模式指令后，所述级联控制器由所述模式控制器切换至所述状态控制器；当所述电机驱动模块驱动肌电仿人灵巧假肢手运动到终止状态时，所述级联控制器由所述状态控制器切换至所述模式控制器。与现有技术相比，本专利技术提供的控制方法带来的有益效果是：1)巧妙联合了肌电模式控制和状态控制的优势，避免灵巧仿人假肢手控制时的频繁切换、不直观和误识别引起的误操作；2)兼顾了仿人灵巧假肢手的控制直观性和可靠性，切换自然迅速，控制精准；3)提升仿人灵巧假肢手的接受率和普及率，改善截肢患者的生活质量。以下将结合附图对本专利技术的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本专利技术的目的、特征和效果。附图说明图1是本专利技术的肌电仿人灵巧假肢手级联控制系统信息处理流程图；图2是本专利技术的肌电仿人灵巧假肢手级联控制系统信息处理流程图；图3是本专利技术的肌电仿人灵巧假肢手级联控制方法框图；图4是本专利技术的肌电仿人灵巧假肢手级联控制系统组成示意图；图5是本专利技术的肌电传感器在残肢上的布局示意图；其中，1-截肢患者残肢；2-复用肌电传感器一；20-复用肌电信号一；3-复用肌电传感器二；30-复用肌电信号二；4-模式肌电传感器；40-模式肌电信号；5-假肢连接筒；6-级联控制器；61-模式控制器；62-状态控制器；63-切换器；7-假肢腕关节；8-假肢手头；9-残肢桡骨；10-残肢尺骨。具体实施方式以下参考说明书附图介绍本专利技术的多个优选实施例，使其
技术实现思路
更加清楚和便于理解。本专利技术可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本专利技术的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本专利技术并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。如图1、图2、图4和图5所示，一种肌电仿人灵巧假肢手级联控制系统，包括：模式肌电传感器4、复用肌电传感器2、肢级联控制器和电机驱动模块组成；其中：模式肌电传感器4和复用肌电传感器2将残肢肌肉的变化转化为电信号，送入灵巧假肢级联控制器处理6；级联控制器6还包括模式控制器61、状态控制器62和切换器63；模式控制器61用于识别模式肌电传感器4和复用肌电传感器2产生的信号，生成动作模式指令送入状态控制器62；状态控制器62分析复用肌电传感器信号一20、复用肌电传感器信号二30的能量和动作模式指令，生成动作模式控制状态；切换器63用于自动切换模式控制器61和状态控制器62的工作流；电机驱动模块根据动作模式控制状态驱动肌电仿人灵巧假肢手运动。模式肌电传感器4和复用肌电传感器内皆含信号发生器、放大电路、滤波电路。模式控制器61包括信号分窗模块、特征提取模块和分类器。状态控制器62包本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种肌电仿人灵巧假肢手级联控制方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：在模式控制下，采集使用者的模式肌电信号和复用肌电信号；S2：对所述模式肌电信号采样，添加移动窗口；S3：计算出所述移动窗口下的所述模式肌电信号的特征；S4：将所述肌电信号的特征输入到分类模型，生成动作模式指令；S5：由所述模式控制状态切换到状态控制，根据所述复用肌电传感器信号的能量和所述动作模式指令，生成动作模式控制状态，驱动仿人灵巧假肢手运动；S6：待所述运动到终止状态，由所述状态控制切换到所述模式控制。

【技术特征摘要】
1.一种肌电仿人灵巧假肢手级联控制方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：在模式控制下，采集使用者的模式肌电信号和复用肌电信号；S2：对所述模式肌电信号采样，添加移动窗口；S3：计算出所述移动窗口下的所述模式肌电信号的特征；S4：将所述肌电信号的特征输入到分类模型，生成动作模式指令；S5：由所述模式控制状态切换到状态控制，根据所述复用肌电传感器信号的能量和所述动作模式指令，生成动作模式控制状态，驱动仿人灵巧假肢手运动；S6：待所述运动到终止状态，由所述状态控制切换到所述模式控制。2.如权利要求1所述的肌电仿人灵巧假肢手级联控制方法，其特征在于，所述模式肌电信号为残肢前端表面产生的多通道模式肌电信号，通道个数大于等于4；所述复用肌电信号为残肢前端的一对拮抗肌产生的肌电信号，通道个数为2；一个所述复用肌电信号通道控制所述运动的正方向，另一个所述复用肌电信号通道控制所述运动的反方向；所述运动的速度与所述复用肌电信号的能量值呈正比例关系。3.如权利要求1所述的肌电仿人灵巧假肢手级联控制方法，其特征在于，所述肌电信号特征是时域特征集、参数化时间序列AR模型特征集、倒谱系数特征集、双谱系数特征集、傅里叶频谱特征集、时频特征集中的任一种或多种组合；所述时域特征集是单位窗长内信号的绝对平均值、过零点数、斜率变化数和波形长度的任一种或多种组合。4.如权利要求1所述的肌电仿人灵巧假肢手级联控制方法，其特征在于，所述分类模型是预训练的线性判别分类模型、支持向量机分类模型、多层感知器神经网络模型、高斯混合模型、模糊逻辑模型或隐马尔可夫模型中的任一种或多种组合。5.如权利要求1所述的肌电仿人灵巧假肢手级联控制方法，其特征在于，在步骤S5由所述模式控制切换到所述状态控制，所述切换器产生物理提醒；在步骤S6由所述状态控制切换到所述模式控制，所述切换器产生物理提醒；所述物理提醒是...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭伟超，
申请(专利权)人：郭伟超，
类型：发明
国别省市：上海,31