[發明專利]用于人機自然交互的生機多模態信息采集融合裝置

有效

• 申請號: 202010322650.3
• 申請日: 2020-04-22
• 公開（公告）號: CN111481197B
• 公開（公告）日: 2021-01-26
• 發明（設計）人: 王宏;祁洋陽;郗海龍;賈曉聰;魏春風;劉沖;張質含;唐浩;王峰;辛雨奇
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: A61B5/389
• 分類號: A61B5/389;A61B5/11;A61B5/103;A61B5/00;A61B5/397
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 李在川

本發明提供一種用于人機自然交互的生機多模態信息采集融合裝置。本裝置對采集到的肌電信號進行前置放大電路的一級信號放大、高通濾波、低通濾波、二級信號放大以及工頻干擾去除等信號調理方式，采集足底壓力信號時，檢測電路采用雙并聯開關檢測足底與地面的接觸狀態，信號數據包括三軸加速度、三軸角速度以及三軸歐拉角共九種數據，采用串行總線實現多個肢體加速度傳感器模塊級聯掛載，該裝置融合了三種不同類型傳感器的數據，經過特征提取與分析，下肢行為識別準確率達到98％以上，并且采用高速數據傳輸協議縮短了信息交互時間，實現單次數據采集與數據融合過程時間小于100ms，整體信號特征單次解碼時長小于300ms，滿足實時性要求。

技術領域

本發明涉及生物醫學工程和機械電子工程的交叉領域，尤其涉及一種用于人機自然交互的生機多模態信息采集融合裝置。

背景技術

人與機器保持良好的協調聯動是人機融合的關鍵技術難題之一。人機之間良好的合作不僅要求受控機器人對控制指令做出快速、準確的反應，還需要機器人能夠實時感知控制者的行為意圖。后者的實現則需要傳感器采集人體動作數據，經過快速處理分析傳達給機器人，使機器人能夠實時地獲取人的行為意圖信息，以提高人機協作程度，避免因人機動作不協調所導致的諸多意外發生。

目前大多數人機協作系統采用單一類型的傳感器數據，基于單模態數據分析與處理常規方法無法有效利用多模態數據間存在的互補關系，在進行肢體行為識別中,單一模態數據所訓練出來的模型識別效果較差，魯棒性低，使得下肢行為識別的準確率以及實時性滿足不了應用要求。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提出一種用于人機自然交互的生機多模態信息采集融合裝置，所述裝置主要包含一種輕型、實時、高效的下肢行為模式多模態數據采集、融合、分析處理系統，其中多模態信息數據具體包括：肌電信號數據、肢體加速度信號數據、足底壓力信號數據，裝置的總體重量小于200g，輕型便攜。

為實現上述技術效果，本發明提出了一種用于人機自然交互的生機多模態信息采集融合裝置，所述裝置為包括上下兩層設計板的層疊結構，上、下層設計板之間通過安裝在四角的四個銅螺柱支撐，上層設計板安裝有嵌入式主控模塊、5V電源接口、肢體加速度傳感器接口、上層數據傳輸接口，安裝在患者肢體上的外置肢體加速度傳感器通過USB轉RS-485調試線接入肢體加速度傳感器接口，肢體加速度傳感器接口通過USB通信協議與嵌入式主控模塊相連，外置肢體加速度傳感器采集到的肢體加速度信號數據通過肢體加速度傳感器接口傳輸給嵌入式主控模塊，5V電源接口的一端與嵌入式主控模塊相連，5V電源接口的另一端接外置5V供電設備；

下層設計板包括下層數據傳輸接口、AUX端口、足底接觸狀態檢測電路和信號接口、肌電采集與轉換電路、電源轉換電路，安裝在患者皮膚上的肌電信號采集裝置通過差分電極線接入AUX端口，AUX端口的另一端與肌電采集與轉換電路中的放大模塊AD8220相連，肌電信號采集裝置采集到的肌電信號數據經過肌電采集與轉換電路處理之后，經過SPI高速串行總線傳輸至下層數據傳輸接口，安裝在患者足底的足底壓力檢測裝置通過有線方式接入足底接觸狀態檢測電路和信號接口，足底接觸狀態檢測電路和信號接口通過飛線與下層數據傳輸接口相連，下層數據傳輸接口通過數據傳輸線與上層數據傳輸接口連接，實現上、下層的數據傳輸，外置12V供電設備通過電源轉換電路中的12V電源接口接入電源轉換電路，通過電源轉換電路中的正負電壓線性穩壓器模塊，實現12V直流電源與±5V雙極性電源的轉換，為肌電采集與轉換電路提供±5V的供電電壓；

所述肢體加速度傳感器接口用于接收外置肢體加速度傳感器采集到的肢體加速度信號數據；

所述AUX端口用于接收肌電信號采集裝置采集到的肌電信號數據；

所述足底接觸狀態檢測電路和信號接口用于接收并處理足底壓力檢測裝置采集到的足底壓力信號數據；