[發明專利]基于肌電信號和變剛度控制的虛擬假手柔順直觀控制方法

在審

• 申請號: 202010572468.3
• 申請日: 2020-06-22
• 公開（公告）號: CN111897415A
• 公開（公告）日: 2020-11-06
• 發明（設計）人: 曾洪;余偉杰;李瀟;宋愛國;沈熠韜;金偉明
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G06F3/01
• 分類號: G06F3/01;A61B5/00;A61B5/0488;A61B5/11
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 施昊

本發明公開了基于肌電信號和變剛度控制的虛擬假手柔順直觀控制方法，步驟：采集人手手指關節彎曲信號和人體前臂表面肌電信號并進行預處理；建立抓握過程中人體前臂表面肌電信號與人手手指關節彎曲的參考角度的關系以及人體前臂表面肌電信號與肌肉收縮過程中參考剛度的關系；采用基于仿人變剛度的阻抗控制模型對抓握過程中的手指關節彎曲角度進行估計；搭建虛擬假手交互系統，根據估計的手指關節彎曲角度對虛擬環境中的虛擬假手進行抓握虛擬物體的控制，并將虛擬假手的受力情況反饋給人手。本發明在保持假手角度控制準確性的基礎上具有較好的柔順性，同時提高了虛擬假手控制的沉浸感，提升了交互的直觀性。

技術領域

本發明屬于虛擬現實領域，特別涉及了虛擬假手柔順直觀控制方法。

背景技術

人手具有一種類似彈簧的性質，在中樞神經系統的控制下，可以自適應地調節剛度以適應任務的變化。當外部環境變化時，人手能自然地增加剛度以提高抗干擾能力，而當不需要高剛度時，又能自然地降低剛度。人手的這種變剛度控制能力是完成靈巧任務的關鍵。

現有的虛擬假手交互系統大都采用運動捕捉技術獲取真實人手手指關節的彎曲角度，虛擬假手在抓握物體時僅能按照人的意圖到達適當的抓握角度，而無法根據被抓握物體的特性來調整抓握力度，如抓握物體時容易由于抓握力過大而毀壞物體。肌電信號中包含了肌肉的收縮以及關節力度等信息，因此國內外的學者開始從肌電信號中提取有效信息用于控制虛擬假手，包括利用模式識別技術從肌電信號提取人手的不同動作和從肌電幅值中提取人手關節彎曲角度信息。上述控制方法的缺點在于，只能獲取人手的運動學特征，無法獲得人手的動力學特征，虛擬假手并不能完整復現人體手部靈巧的操作能力以及在復雜環境中的抗干擾能力。

為了彌補虛擬假手在力控制上的不足，國內外學者開始采用阻抗控制技術來控制虛擬假手，阻抗控制技術能動態調整虛擬假手的運動狀態以及交互力之間的關系。綜合國內外的研究發現，阻抗控制技術能夠在一定程度上使虛擬假手的控制更加柔順。但目前的研究很少關注在多變的環境下的虛擬假手控制，并且較少關注虛擬假手使用者的感受，使用者僅能從視覺上觀察假手的控制情況，無法同步感受假手的受力情況。

發明內容

為了解決上述背景技術提到的技術問題，本發明提出了基于肌電信號和變剛度控制的虛擬假手柔順直觀控制方法。

為了實現上述技術目的，本發明的技術方案為：

基于肌電信號和變剛度控制的虛擬假手柔順直觀控制方法，包括以下步驟：

(1)通過信號采集裝置對抓握運動過程中的人手手指關節彎曲信號和人體前臂表面肌電信號進行采集，并分別對采集的人手手指關節彎曲信號和人體前臂表面肌電信號進行預處理，得到預處理后的人手手指關節彎曲角度和人體前臂表面肌電信號；

(2)針對不同個體，建立抓握過程中人體前臂表面肌電信號與人手手指關節彎曲的參考角度之間的關系以及人體前臂表面肌電信號與肌肉收縮過程中參考剛度之間的關系；

(3)采用阻抗控制模型對抓握過程中的手指關節彎曲角度進行估計；

(4)搭建虛擬假手交互系統，根據估計的手指關節彎曲角度對虛擬環境中的虛擬假手進行抓握虛擬物體的控制，并將虛擬假手的受力情況反饋給人手。

進一步地，在步驟(1)中，采用數據手套采集人手手指關節彎曲信號，采用臂環采集人體前臂表面肌電信號。

進一步地，在步驟(1)中，所述預處理為，將采集的人手手指關節彎曲信號通過歸一化算法映射到區間[0,1]內；將采集的人體前臂表面肌電信號依次經過全波整流、低通濾波和基于最大自主收縮的歸一化，得到EMG信號包絡。

進一步地，在步驟(2)中，所述兩個雙曲正切模型如下：