基于表面肌電信號(hào)的四軸飛行器控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種基于表面肌電信號(hào)的四軸飛行器控制系統(tǒng)，包括肌電信號(hào)獲取模塊、肌電信號(hào)處理模塊和人機(jī)交互模塊，肌電信號(hào)獲取模塊包括肌電信號(hào)采集模塊和肌電信號(hào)存儲(chǔ)模塊，肌電信號(hào)采集模塊用于對(duì)人體前臂表面肌電信號(hào)進(jìn)行采集，肌電信號(hào)存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)人體前臂表面肌電信號(hào)；肌電信號(hào)處理模塊用于提取表面肌電特征值，將表面肌電特征值進(jìn)行模式識(shí)別，輸出控制信號(hào)；人機(jī)交互模塊，通過人機(jī)交互接口發(fā)送至四軸飛行器。本實(shí)用新型的有益效果是，本實(shí)用新型設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)人機(jī)交互環(huán)境的要求較低；利用AR模型和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲取控制信號(hào)，通過設(shè)置合理的AR模型階數(shù)并采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分類，獲取的控制信號(hào)更加準(zhǔn)確，該系統(tǒng)具有較高識(shí)別率。
【專利說明】
基于表面肌電信號(hào)的四軸飛行器控制系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型涉及智能玩具控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于表面肌電信號(hào)的四軸飛 行器控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，肌電信號(hào)(Electromyography,簡(jiǎn)稱EMG)是肌肉中運(yùn)動(dòng)單元的動(dòng)作電位在時(shí) 間和空間上的疊加，一定程度上反映了肌肉和神經(jīng)的功能狀態(tài)。表面肌電信號(hào)（Surface Electromyography-表面肌電）是肌電信號(hào)（肌肉運(yùn)動(dòng)模式)在人體皮膚表面的綜合反映， 是快捷無創(chuàng)檢測(cè)肌肉活動(dòng)的重要方法，包含了肌肉內(nèi)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元被激發(fā)的個(gè)數(shù)、神經(jīng)電位 傳導(dǎo)速度等信息。表面肌電可區(qū)分肌肉不同的運(yùn)動(dòng)模式，在生物醫(yī)學(xué)、生物機(jī)械等領(lǐng)域具有 很好的應(yīng)用價(jià)值。近年來，如何準(zhǔn)確地獲取識(shí)別分類表面肌電、實(shí)現(xiàn)高效的人機(jī)交互成為了 國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。
[0003] 1999年，Englehart的團(tuán)隊(duì)采用時(shí)頻分析的方法(如短時(shí)傅里葉變換、小波變換以 及小波包等)提取出了肌電的特征信號(hào)。國(guó)內(nèi)，上海交通大學(xué)和復(fù)旦大學(xué)合作展開了 "神經(jīng) 的運(yùn)動(dòng)控制與控制信息源的研究"。其目的是提取神經(jīng)信息，利用神經(jīng)信息來控制電子假 手。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)神經(jīng)肌肉控制實(shí)驗(yàn)室自2006年以來，開始研究基于表面肌電信號(hào)的 手勢(shì)信號(hào)處理技術(shù)。
[0004] 在腕部動(dòng)作的手勢(shì)信號(hào)分類方面，前人可以給出粗略的分類結(jié)果，但在手指動(dòng)作 方面，前人的分類結(jié)果錯(cuò)誤率在20%以上，有較大的改進(jìn)空間。另一方面，在利用基于表面 肌電信號(hào)的手勢(shì)分類結(jié)果時(shí)，前人大多進(jìn)行虛擬仿真而很少進(jìn)行實(shí)際控制。
[0005] 現(xiàn)有技術(shù)中，手勢(shì)的輸入設(shè)備可分為基于數(shù)據(jù)手套的輸入方式和基于圖像識(shí)別的 輸入方式?；跀?shù)據(jù)手套的輸入方式，雖然識(shí)別率較高，但是復(fù)雜的設(shè)備和高昂的費(fèi)用限制 了自身的應(yīng)用。另一方面，基于圖像識(shí)別的輸入方式雖然成本比較低廉，但是實(shí)時(shí)性和識(shí)別 率較低，對(duì)外界環(huán)境的光線，攝像頭幀率和圖像采集器布設(shè)位置等要求較高。本實(shí)用新型提 出的基于前臂表面肌電信號(hào)的手勢(shì)識(shí)別人機(jī)交互系統(tǒng)，設(shè)備簡(jiǎn)便，成本適中，對(duì)人機(jī)交互環(huán) 境的要求較低，具有較好的實(shí)時(shí)性和識(shí)別率，可以對(duì)四軸飛行器進(jìn)行飛行控制。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006] 本實(shí)用新型的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于表面肌電信號(hào)的 四軸飛行器控制系統(tǒng)。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用下述技術(shù)方案：
[0008] 基于表面肌電信號(hào)的四軸飛行器控制系統(tǒng)，包括肌電信號(hào)獲取模塊、肌電信號(hào)處 理模塊和人機(jī)交互模塊，其中，
[0009] 所述肌電信號(hào)獲取模塊包括肌電信號(hào)采集模塊和肌電信號(hào)存儲(chǔ)模塊，所述肌電信 號(hào)采集模塊，用于對(duì)人體前臂表面肌電信號(hào)進(jìn)行采集，所述肌電信號(hào)存儲(chǔ)模塊，用于存儲(chǔ)人 體前臂表面肌電信號(hào)；
[0010]所述肌電信號(hào)處理模塊，用于讀取肌電信號(hào)存儲(chǔ)模塊的人體前臂表面肌電信號(hào)， 并提取表面肌電特征值，將表面肌電特征值進(jìn)行模式識(shí)別，輸出控制信號(hào)；
[0011]所述人機(jī)交互模塊，接收肌電信號(hào)處理模塊輸出的控制信號(hào)，通過人機(jī)交互接口 發(fā)送至四軸飛行器。
[0012] 優(yōu)選的，所述肌電信號(hào)采集模塊包括肌電電極和依次連接的前端差分放大電路、 陷波器和帶通濾波器，所述肌電電極貼附在操作者肌臂上，所述前端差分放大電路設(shè)置于 肌電電極上。通過采用前端差分放大電路，使得兩級(jí)放大電路采用差分方式，可有效抑制共 模干擾信號(hào)。
[0013] 進(jìn)一步優(yōu)選的，所述前端差分放大電路包括兩級(jí)放大器和緩沖電路，分別為依次 連接的第一級(jí)放大器、緩沖電路和第二級(jí)放大器。
[0014] 進(jìn)一步優(yōu)選的，所述第一級(jí)放大器型號(hào)為0PA2277且放大倍數(shù)為40,所述第二級(jí)放 大器型號(hào)為AD620且放大倍數(shù)為20,輸入端為差分方式。通過采用型號(hào)為0PA2277的第一級(jí) 放大器且設(shè)置緩沖電路，可減少肌電信號(hào)源內(nèi)阻對(duì)差分放大器影響，同時(shí)緩沖電路的設(shè)置 使得第一級(jí)放大器只具有放大差模信號(hào)的作用，差分增益可通過調(diào)節(jié)緩沖電路來實(shí)現(xiàn)，通 過采用型號(hào)為AD620第二級(jí)放大器，使得肌電信號(hào)采集模塊具有優(yōu)良的共模抑制能力。 [0015]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述陷波器的工作頻率為50Hz，所述帶通濾波器工作頻率為10-1000 Hz 0
[0016] 優(yōu)選的，所述基于表面肌電信號(hào)的四軸飛行器控制系統(tǒng)
[0017] 本發(fā)明的有益效果是：
[0018] 1.本發(fā)明提出的控制系統(tǒng)，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本適中，對(duì)人機(jī)交互環(huán)境的要求較 低；
[0019] 2.本發(fā)明提供的控制系統(tǒng)利用AR模型和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲取控制信號(hào)，通過設(shè)置合理 的AR模型階數(shù)并采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分類，獲取的控制信號(hào)更加準(zhǔn)確，因此，該系統(tǒng)具有較 高識(shí)別率，可以對(duì)四軸飛行器進(jìn)行精確地飛行控制；
[0020] 3.本發(fā)明采用人機(jī)交互模塊，充分提高了該系統(tǒng)運(yùn)行地實(shí)時(shí)性。
【附圖說明】
[0021] 圖1是本實(shí)用新型提供的基于表面肌電信號(hào)的四軸飛行器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022] 圖2是本實(shí)用新型提供的肌電信號(hào)采集模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023] 圖3是本實(shí)用新型提供的基于表面肌電信號(hào)的四軸飛行器控制方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。
[0025] 如圖1所示，基于表面肌電信號(hào)的四軸飛行器控制系統(tǒng)，包括肌電信號(hào)獲取模塊、 肌電信號(hào)處理模塊和人機(jī)交互模塊，其中，
[0026] 所述肌電信號(hào)獲取模塊包括肌電信號(hào)采集模塊和肌電信號(hào)存儲(chǔ)模塊，所述肌電信 號(hào)采集模塊，用于對(duì)人體前臂表面肌電信號(hào)進(jìn)行采集，所述肌電信號(hào)存儲(chǔ)模塊，用于存儲(chǔ)人 體前臂表面肌電信號(hào)；
[0027] 所述肌電信號(hào)處理模塊，用于讀取肌電信號(hào)存儲(chǔ)模塊的人體前臂表面肌電信號(hào)， 并提取表面肌電特征值，將表面肌電特征值進(jìn)行模式識(shí)別，輸出控制信號(hào)；
[0028] 所述人機(jī)交互模塊，接收肌電信號(hào)處理模塊輸出的控制信號(hào)，通過人機(jī)交互接口 發(fā)送至四軸飛行器。
[0029] 如圖2所示，所述肌電信號(hào)采集模塊包括肌電電極和依次連接的前端差分放大電 路、陷波器和帶通濾波器，所述肌電電極貼附在操作者肌臂上，所述前端差分放大電路設(shè)置 于肌電電極上。通過采用前端差分放大電路，使得兩級(jí)放大電路采用差分方式，可有效抑制 共模干擾信號(hào)。
[0030] 進(jìn)一步優(yōu)選的，所述前端差分放大電路包括兩級(jí)放大器和緩沖電路，分別為依次 連接的第一級(jí)放大器、緩沖電路和第二級(jí)放大器。
[0031] 進(jìn)一步優(yōu)選的，所述第一級(jí)放大器型號(hào)為0PA2277且放大倍數(shù)為40,所述第二級(jí)放 大器型號(hào)為AD620且放大倍數(shù)為20,輸入端為差分方式。通過采用型號(hào)為0PA2277的第一級(jí) 放大器且設(shè)置緩沖電路，可減少肌電信號(hào)源內(nèi)阻對(duì)差分放大器影響，同時(shí)緩沖電路的設(shè)置 使得第一級(jí)放大器只具有放大差模信號(hào)的作用，差分增益可通過調(diào)節(jié)緩沖電路來實(shí)現(xiàn)，通 過采用型號(hào)為AD620第二級(jí)放大器，使得肌電信號(hào)采集模塊具有優(yōu)良的共模抑制能力。
[0032] 所述肌電信號(hào)采集模塊的工作過程為，肌電電極采集人體前臂的表面肌電信號(hào)， 前端差分放大電路對(duì)表面肌電信號(hào)進(jìn)行放大處理，然后經(jīng)陷波器和帶通濾波器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)濾 波得到濾波信號(hào)，該濾波信號(hào)傳輸至肌電信號(hào)處理模塊。
[0033] 優(yōu)選的，所述基于表面肌電信號(hào)的四軸飛行器控制系統(tǒng)
[0034] 基于上述表面肌電信號(hào)的四軸飛行器控制系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟：
[0035] 步驟一:在操作者前臂上敷設(shè)電極，肌電信號(hào)采集模塊采集前臂表面肌電信號(hào)，并 將前臂表面肌電信號(hào)傳輸至肌電信號(hào)處理模塊；
[0036] 步驟二:肌電信號(hào)處理模塊獲取前臂表面肌電信號(hào)，對(duì)前臂表面肌電信號(hào)進(jìn)行預(yù) 處理，并通過AR模型提取表面肌電特征值；
[0037]步驟三:肌電信號(hào)處理模塊對(duì)步驟二中的表面肌電特征值進(jìn)行模式識(shí)別，獲取控 制信號(hào)；
[0038]步驟四：人機(jī)交互模塊接收控制信號(hào)，并通過人機(jī)交互接口將控制信號(hào)傳輸至執(zhí) 行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)控制信號(hào)做出相應(yīng)的動(dòng)作。
[0039]在表面肌電信號(hào)的特征提取領(lǐng)域，頻域分析方法雖然擁有重要地位，但是它存在 著很大缺陷。運(yùn)用傳統(tǒng)的傅里葉變換方法時(shí)，需要知道信號(hào)的全部時(shí)域信息，這一點(diǎn)很難滿 足要求;另外，信號(hào)的整個(gè)頻譜特征受某一時(shí)刻變化的很大影響。這些都限制了傳統(tǒng)傅里葉 變化在表面肌電信號(hào)特征提取中的應(yīng)用。
[0040]自回歸模型法(auto-regressive，簡(jiǎn)稱AR模型)作為典型的參數(shù)模型法，具有頻率 分辨率高的特點(diǎn)。AR模型要求信號(hào)滿足短時(shí)平穩(wěn)條件即可，即在分析的信號(hào)段內(nèi)保持平穩(wěn)， 表面肌電信號(hào)恰好可以滿足這個(gè)限制條件。AR模型將信號(hào)分析過程中的隨機(jī)性和有限的可 預(yù)測(cè)性結(jié)合起來。研究肌電信號(hào)可以通過研究AR模型的性質(zhì)和白噪聲通過系統(tǒng)的輸入輸出 關(guān)系來完成，得到AR模型的若干系數(shù)就可以表征肌電信號(hào)的性質(zhì)。
[0041 ]優(yōu)選的，所述步驟二中，通過AR模型提取表面肌電特征值的具體步驟如下：
[0042]步驟S21:建立肌電信號(hào)的AR模型；
[0043] 步驟S22:根據(jù)Yule-Walker方程，設(shè)置AR模型階數(shù)為4，求取AR參數(shù)，所述AR參數(shù)即 表面肌電特征值。
[0044] 優(yōu)選的，所述步驟三中，對(duì)步驟二中的表面肌電特征值進(jìn)行模式識(shí)別，獲取控制信 號(hào)具體方法如下：
[0045] 根據(jù)AR參數(shù)構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器輸入，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)分類器輸入進(jìn)行分類，輸 出運(yùn)動(dòng)模式分類結(jié)果向量，并將運(yùn)動(dòng)模式分類結(jié)果向量作為控制信號(hào)。
[0046] 所述步驟二和步驟三的【具體實(shí)施方式】如下：
[0047]建立表面肌電信號(hào)的AR模型，模型表示如下
[0048] (1)
[0049] AT，yi衣不衣IMJ肌電信號(hào)的第i個(gè)米樣值，aj表不AR模型的第j個(gè)系數(shù)，為AR參數(shù)， m表示白噪聲殘差，P表示AR模型的階數(shù)。
[0050] 由Yule-Walker方程，求出AR參數(shù)，Yule-Walker方程公式如下：
[0051
(2)
[0052]由于AR模型階數(shù)P對(duì)模式識(shí)別的性能具有很大影響。經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)證明，P選取 的太低，分辨率不夠;選取的太高，譜估計(jì)會(huì)出現(xiàn)譜分裂現(xiàn)象，即出現(xiàn)實(shí)際中不存在的虛假 信息。
[0053]經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)，當(dāng)階數(shù)P的范圍為2<P<4時(shí)，信號(hào)分析和識(shí)別性能較優(yōu)。當(dāng)階數(shù)P 值為4時(shí)，信號(hào)的分析和和識(shí)別性能最好。由此，本實(shí)用新型將AR模型的階數(shù)P選取為4,得到 4階AR系數(shù)A=[ai a2 a3 a4]T。
[0054] 將AR模型系數(shù)向量A作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器的輸入，由BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分 類，輸出運(yùn)動(dòng)模式分類結(jié)果向量，將運(yùn)動(dòng)模式分類結(jié)果向量作為相應(yīng)的控制信號(hào)，控制四軸 飛行器進(jìn)行相應(yīng)的飛行動(dòng)作。
[0055] 實(shí)施例:肌電信號(hào)采集模塊包括肌電電極和依次連接的前端差分放大電路、陷波 器和帶通濾波器，前端差分放大電路包括依次連接的第一級(jí)放大器、緩沖電路和第二級(jí)放 大器，第一級(jí)放大器型號(hào)為0PA2277且放大倍數(shù)設(shè)置為40，第二級(jí)放大器型號(hào)為AD620且放 大倍數(shù)為20，輸入端為差分方式，陷波器的工作頻率設(shè)置為50Hz，帶通濾波器工作頻率設(shè)置 為lO-lOOOHz，AR模型階數(shù)P設(shè)置為4。
[0056] 表1表示表面肌電信號(hào)建立AR模型獲取的尺側(cè)腕伸肌AR系數(shù)，該表中可以看出前 臂不同的動(dòng)作對(duì)應(yīng)的AR系數(shù)不同。
[0057]表1表面肌電信號(hào)AR系數(shù)
[0061 ]由表2看出，本發(fā)明建立表面肌電信號(hào)的AR模型，并將AR模型系數(shù)作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 分類器輸入，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類識(shí)別結(jié)果如表2所示，由表2看出，本發(fā)明提出的方案對(duì)表面肌 電信號(hào)進(jìn)行了正確的識(shí)別。
[0062]上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本實(shí)用新 型保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本實(shí)用新型的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng) 域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本實(shí)用新型的保護(hù)范 圍以內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于表面肌電信號(hào)的四軸飛行器控制系統(tǒng)，其特征是，包括肌電信號(hào)獲取模塊、肌電 信號(hào)處理模塊和人機(jī)交互模塊，其中，所述肌電信號(hào)獲取模塊包括肌電信號(hào)采集模塊和肌 電信號(hào)存儲(chǔ)模塊，所述肌電信號(hào)采集模塊，用于對(duì)人體前臂表面肌電信號(hào)進(jìn)行采集，所述肌 電信號(hào)存儲(chǔ)模塊，用于存儲(chǔ)人體前臂表面肌電信號(hào)； 所述肌電信號(hào)處理模塊，用于讀取肌電信號(hào)存儲(chǔ)模塊的人體前臂表面肌電信號(hào)，并提 取表面肌電特征值，將表面肌電特征值進(jìn)行模式識(shí)別，輸出控制信號(hào)； 所述人機(jī)交互模塊，接收肌電信號(hào)處理模塊輸出的控制信號(hào)，通過人機(jī)交互接口發(fā)送 至四軸飛行器。2. 如權(quán)利要求1所述的基于表面肌電信號(hào)的四軸飛行器控制系統(tǒng)，其特征是，所述肌電 信號(hào)采集模塊包括肌電電極和依次連接的前端差分放大電路、陷波器和帶通濾波器，所述 肌電電極貼附在操作者肌臂上，所述前端差分放大電路設(shè)置于肌電電極上。3. 如權(quán)利要求2所述的基于表面肌電信號(hào)的四軸飛行器控制系統(tǒng)，其特征是，所述前端 差分放大電路包括兩級(jí)放大器和緩沖電路，分別為依次連接的第一級(jí)放大器、緩沖電路和 第二級(jí)放大器。4. 如權(quán)利要求3所述的基于表面肌電信號(hào)的四軸飛行器控制系統(tǒng)，其特征是，所述第一 級(jí)放大器型號(hào)為0PA2277且放大倍數(shù)為40,所述第二級(jí)放大器型號(hào)為AD620且放大倍數(shù)為 20,輸入端為差分方式。5. 如權(quán)利要求2所述的基于表面肌電信號(hào)的四軸飛行器控制系統(tǒng)，其特征是，所述陷波 器的工作頻率為50HZ，所述帶通濾波器工作頻率為ΙΟ-ΙΟΟ0Hz。
【文檔編號(hào)】A61B5/0476GK205540291SQ201620382919
【公開日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年4月29日
【發(fā)明人】胡睿, 劉宇飛, 趙志國(guó), 高鋒, 靖向前, 張進(jìn)
【申請(qǐng)人】泰山醫(yī)學(xué)院