[發(fā)明專利]面向外骨骼機(jī)器人的下肢肌音信號(hào)處理系統(tǒng)及方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510052345.6
• 申請(qǐng)日: 2015-02-02
• 公開（公告）號(hào): CN104666052A
• 公開（公告）日: 2015-06-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉大生;顏國正;王志武
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號(hào): A61H3/00
• 分類號(hào): A61H3/00;A61B5/11
• 代理公司: 上海交達(dá)專利事務(wù)所 31201
• 代理人: 王毓理;王錫麟

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及的是一種傳感器領(lǐng)域的技術(shù)，具體是一種面向外骨骼機(jī)器人的下肢肌音信號(hào)處理系統(tǒng)及方法，可作為控制輸入應(yīng)用到下肢外骨骼機(jī)器人的控制中，能夠滿足外骨骼機(jī)器人控制系統(tǒng)的便攜性、高穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性要求。

背景技術(shù)

MMG(Mechanomyography，肌音信號(hào))是肌肉收縮產(chǎn)生肌力的過程中，肌纖維由于分布不均勻等因素發(fā)生側(cè)向振動(dòng)而表現(xiàn)為宏觀上的發(fā)出機(jī)械波的一種力學(xué)現(xiàn)象。其主要特點(diǎn)有信號(hào)幅值大、平穩(wěn)性好、抗干擾能力強(qiáng)等。目前，國內(nèi)外在肌音信號(hào)以及肌音信號(hào)的應(yīng)用方面的研究取得了一些進(jìn)展。Barry提出肌音信號(hào)可以用于假肢控制，并作了初期研究嘗試。Bertr和Diemontd等通過利用FFT和MESE對(duì)肌音信號(hào)進(jìn)行分析，證實(shí)了功率譜方法可以提取肌音信號(hào)中蘊(yùn)含的肌肉動(dòng)作信息。加拿大多倫多大學(xué)的Prism實(shí)驗(yàn)室通過釆用MMG信號(hào)作為肢體動(dòng)作分析對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了對(duì)腕部收縮和舒張兩類動(dòng)作的高識(shí)別率：70％左右，進(jìn)一步的分析表明EMG信號(hào)中絕大部分肢體動(dòng)作信息也存在于MMG信號(hào)中。目前，MMG信號(hào)已開始應(yīng)用于肌肉功能檢測、肌肉疲勞度檢測及人體假肢控制等相關(guān)領(lǐng)域。

近年來，外骨骼機(jī)器人的研究是備受矚目的領(lǐng)域之一。理想的外骨骼機(jī)器人緊密結(jié)合了人的智力和機(jī)器人的體力，能完成單獨(dú)依靠人和機(jī)器人都無法完成的任務(wù)。為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)緊密結(jié)合，無障礙的信息傳遞機(jī)制尤為重要。目前在外骨骼機(jī)器人控制中，對(duì)人體運(yùn)動(dòng)信息的獲取與運(yùn)動(dòng)意圖的識(shí)別主要是采集生物電和生物力信號(hào)，其他方式如微觀的神經(jīng)植入，宏觀的手勢或姿態(tài)等。生物電主要包括EMG(Electromyography，肌電)和腦電，其中肌電獲取與控制的研究已經(jīng)相當(dāng)深入。然而肌電所面臨的最大問題是須要直接與皮膚接觸才能可靠獲取，且EMG信號(hào)極易受到外界的干擾，例如肌肉的疲勞、電極位置的改變、體溫的波動(dòng)都會(huì)使EMG信號(hào)的特征值發(fā)生變化。腦電包括自發(fā)式和誘發(fā)式，盡管誘發(fā)式腦機(jī)界面有了長足的進(jìn)步，但分辨運(yùn)動(dòng)意圖的能力還很難滿足實(shí)時(shí)性需要。

經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利文獻(xiàn)號(hào)CN102614061A公開(公告)日2012.08.01，公開了一種基于肌音信號(hào)的人體上肢功能康復(fù)訓(xùn)練實(shí)現(xiàn)方法，通過安放在肌肉皮膚表面的壓電傳感器采集人體生理隨機(jī)肌音信號(hào)MMG，采集到的肌音信號(hào)蘊(yùn)含肌肉收縮動(dòng)作信息，信號(hào)經(jīng)過預(yù)處理電路進(jìn)行放大濾波，然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，再通過數(shù)據(jù)采集卡導(dǎo)入PC機(jī)并先后進(jìn)行特征提取和模式識(shí)別處理，輸出代表肌肉不同動(dòng)作模式的控制信號(hào)，以控制在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的三維人體上肢模型運(yùn)動(dòng)，受試者可以根據(jù)虛擬環(huán)境中的視覺反饋實(shí)時(shí)對(duì)虛擬環(huán)境中的人體上肢模型進(jìn)行不同MVC％動(dòng)作模式的控制，最終實(shí)現(xiàn)了功能康復(fù)訓(xùn)練的目的。但該技術(shù)的信號(hào)采集硬件系統(tǒng)選用的數(shù)據(jù)采集卡體積較大不滿足外骨骼機(jī)器人控制系統(tǒng)所要求的易攜帶、微型化、低功耗的要求；其數(shù)字信號(hào)處理和特征提取模塊及動(dòng)作模式識(shí)別模塊均為基于PC機(jī)上的Matlab軟件環(huán)境工作的，這使得其系統(tǒng)不滿足嵌入式、實(shí)時(shí)性的需要；而且，其主要通過有線的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集器和控制器之間的電氣連接，使用不方便。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種面向外骨骼機(jī)器人的下肢肌音信號(hào)處理系統(tǒng)及方法，具有可攜帶、微型化、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，通過嵌入式數(shù)據(jù)采集電路及采用無線通訊的方式實(shí)現(xiàn)采集系統(tǒng)和控制器之間的信息交互。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明涉及一種面向外骨骼機(jī)器人的下肢肌音信號(hào)處理系統(tǒng)，包括：兩個(gè)分別用于左、右腿的肌音信號(hào)采集子系統(tǒng)和通過無線方式與之相連的便攜式數(shù)字處理子系統(tǒng)，其中：肌音信號(hào)采集子系統(tǒng)輸出肌音數(shù)字信號(hào)至便攜式數(shù)字處理子系統(tǒng)，數(shù)字處理子系統(tǒng)從中提取得到人體下肢動(dòng)作判別結(jié)果。

所述的便攜式數(shù)字處理子系統(tǒng)包括：肌音信號(hào)接收電路、外骨骼通信電路、主控處理器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，其中：主控微處理器分別與肌音信號(hào)接收電路及外骨骼通信電路相連，主控處理器對(duì)接收到的多路肌音信號(hào)分別進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，識(shí)別出人體動(dòng)作意圖數(shù)據(jù)，并將其進(jìn)行數(shù)字編碼后存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，主控處理器通過外骨骼通信電路與外骨骼機(jī)器人控制系統(tǒng)相連，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)的人體下肢關(guān)節(jié)的人體動(dòng)作意圖數(shù)據(jù)發(fā)送給外骨骼機(jī)器人控制系統(tǒng)。