[發明專利]基于FSM的多自由度假手快速肌電編碼控制系統

在審

• 申請號: 201710861945.6
• 申請日: 2017-09-21
• 公開（公告）號: CN107456300A
• 公開（公告）日: 2017-12-12
• 發明（設計）人: 姜力;楊斌;黃琦;程明;劉源;楊威;楊大鵬;劉炳辰;劉宏
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: A61F2/72
• 分類號: A61F2/72;A61B5/0488;A61B5/00
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所23109
• 代理人: 畢雅鳳

技術領域

本發明涉及肌電假手控制領域，具體涉及基于FSM的多自由度肌電假手快速編碼控制技術。

背景技術

肌電假手是一種利用人體前臂的肌肉電信號(Electromyography，EMG)作為控制信號源，通過某種信息解碼策略，控制假手運動以實現抓取物體的康復裝備。這種基于生物信號控制的肌電假手的優點是顯而易見的，因為其利用殘疾人殘余的肌肉與神經進行控制，不需要額外的控制信號源，便于殘疾人使用。對于肌電控制的多自由度假手，其操作范圍和抓取能力遠超之前的單自由度假手，然而，控制多自由度假手需要更為復雜的控制策略。

然而，現有基于肌電信號模式識別的肌電控制方法要求殘疾人具有多塊活動肌肉，這就限制了高位截肢患者使用，并且其控制效果容易受肌肉萎縮，皮膚與肌電電極之間阻抗變化影響。因此，基于肌電信號模式識別的肌電控制方法在實際使用中有很大的局限性。而且現有的基于狀態轉換的控制方式往往需要額外的開關進行狀態切換，操作不便；現有的編碼式肌電控制方法采用了基于信號種類和信號持續時間的狀態切換方法，在實際使用中，殘疾人難以精確掌控肌電信號的持續時間，導致狀態切換出現錯誤并且狀態切換所需時間長，而且每次開機都需要進行訓練流程，不方便日常使用。

發明內容

本發明的目的是為了解決現有的肌電假手控制系統存在基于肌電信號模式識別的控制方式使用范圍受限，控制效果不穩定，現有狀態轉換的控制方式操作不方便，控制方法難以精確掌控，狀態轉換準確率低且所需時間長的問題，從而提供基于FSM的多自由度假手快速肌電編碼控制系統。

本發明所述的基于FSM的多自由度假手快速肌電編碼控制系統，包括肌電信號電極1、LDA分類器22、編碼模塊23、運動控制模塊24和訓練模塊26；

肌電信號電極1，用于采集使用者的肌電信號；

訓練模塊26，用于根據訓練模式采集的肌電信號進行訓練，得到分類器參數；

LDA分類器22，用于讀取分類器參數，完成LDA分類器22的初始化，利用初始化后的LDA分類器22對采集的肌電信號進行分類，并將分類結果發送給編碼模塊23；

編碼模塊23，用于統計肌電信號的持續時間，根據持續時間對肌電信號進一步分類；

編碼模塊23采用狀態機實現，具有兩個工作狀態：姿勢選擇狀態和運動控制狀態；進一步分類后的肌電信號對兩個工作狀態進行切換；

處于姿勢選擇狀態時，用于根據進一步分類后的肌電信號產生姿勢編碼；

處于運動控制狀態時，用于根據肌電信號設定運動方向；

運動控制模塊24，根據編碼模塊23發送的姿勢編碼和運動方向對假手各個手指的運動進行規劃并控制各個手指沿規劃好的軌跡運動。

優選的是，LDA分類器22根據LDA分類算法將接收到的肌電信號分類為屈肌信號F、伸肌信號E、同步信號C和放松信號r。

優選的是，編碼模塊23將持續時間超過閾值T的F、E、C進一步分類為編碼屈肌信號f、編碼伸肌信號e、切換同步信號c，將持續時間不超過閾值T的F、E、C保持原來分類。

優選的是，當肌電信號的分類結果為切換同步信號c時，對編碼模塊23的工作狀態進行切換，由當前的工作狀態切換為另一個工作狀態；切換為姿勢選擇狀態后，編碼堆棧清空；

當編碼模塊23處于姿勢選擇狀態時，將肌電信號的分類結果送入一個深度為2的先進先出的編碼堆棧中，則編碼堆棧狀態一共有7種，即空、f、e、ff、ee、fe、ef，7種編碼堆棧狀態即姿勢編碼對應7種預設的抓取姿勢，分別為圓柱抓取、圓球抓取、三指捏取、側邊捏取、兩指捏取、四指彎曲、食指指示；

當編碼模塊23處于運動控制狀態時，編碼模塊23用于確定假手的運動方向，具體為：

當肌電信號的分類結果為編碼屈肌信號f或者屈肌信號F時，則假手的運動方向為閉合方向；

當肌電信號的分類結果為放松信號r或者同步信號C時，則假手各手指保持當前位置；

當肌電信號的分類結果為編碼伸肌信號e或者伸肌信號E時，則假手的運動方向為張開方向。

優選的是，還包括ADC轉換模塊21，所述肌電信號電極1包括信號采集模塊11和信號處理模塊12；

信號采集模塊11，用于將接收到的原始肌電信號發送給信號處理模塊12；

信號處理模塊12，用于對接收到的原始肌電信號進行處理，得到可識別的肌電信號，并發送給ADC轉換模塊21；

ADC轉換模塊21，用于將表征肌電信號的模擬信號轉換為數字信號，并發送給LDA分類器22和訓練模塊26。