基于表面肌電信號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的四軸飛行器控制系統(tǒng)，包括肌電信號獲取模塊、肌電信號處理模塊和人機(jī)交互模塊，肌電信號獲取模塊包括肌電信號采集模塊和肌電信號存儲模塊，肌電信號采集模塊用于對人體前臂表面肌電信號進(jìn)行采集，肌電信號存儲模塊用于存儲人體前臂表面肌電信號；肌電信號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)行模式識別，輸出控制信號；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)簡單，對人機(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，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，獲取的控制信號更加準(zhǔn)確，該系統(tǒng)具有較高識別率。
【專利說明】
基于表面肌電信號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的四軸飛 行器控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，肌電信號(Electromyography,簡稱EMG)是肌肉中運(yùn)動單元的動作電位在時 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（Surface Electromyography-表面肌電）是肌電信號（肌肉運(yùn)動模式)在人體皮膚表面的綜合反映， 是快捷無創(chuàng)檢測肌肉活動的重要方法，包含了肌肉內(nèi)運(yùn)動神經(jīng)元被激發(fā)的個數(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)用價值。近年來，如何準(zhǔn)確地獲取識別分類表面肌電、實(shí)現(xiàn)高效的人機(jī)交互成為了 國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。
[0003] 1999年，Englehart的團(tuán)隊(duì)采用時頻分析的方法(如短時傅里葉變換、小波變換以 及小波包等)提取出了肌電的特征信號。國內(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的 手勢信號處理技術(shù)。
[0004] 在腕部動作的手勢信號分類方面，前人可以給出粗略的分類結(jié)果，但在手指動作 方面，前人的分類結(jié)果錯誤率在20%以上，有較大的改進(jìn)空間。另一方面，在利用基于表面 肌電信號的手勢分類結(jié)果時，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別的 輸入方式。基于數(shù)據(jù)手套的輸入方式，雖然識別率較高，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，基于圖像識別的輸入方式雖然成本比較低廉，但是實(shí)時性和識別 率較低，對外界環(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的手勢識別人機(jī)交互系統(tǒng)，設(shè)備簡便，成本適中，對人機(jī)交互環(huán) 境的要求較低，具有較好的實(shí)時性和識別率，可以對四軸飛行器進(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] 基于表面肌電信號的四軸飛行器控制系統(tǒng)，包括肌電信號獲取模塊、肌電信號處 理模塊和人機(jī)交互模塊，其中，
[0009] 所述肌電信號獲取模塊包括肌電信號采集模塊和肌電信號存儲模塊，所述肌電信 號采集模塊，用于對人體前臂表面肌電信號進(jìn)行采集，所述肌電信號存儲模塊，用于存儲人 體前臂表面肌電信號；
[0010]所述肌電信號處理模塊，用于讀取肌電信號存儲模塊的人體前臂表面肌電信號， 并提取表面肌電特征值，將表面肌電特征值進(jìn)行模式識別，輸出控制信號；
[0011]所述人機(jī)交互模塊，接收肌電信號處理模塊輸出的控制信號，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，使得兩級放大電路采用差分方式，可有效抑制共 模干擾信號。
[0013] 進(jìn)一步優(yōu)選的，所述前端差分放大電路包括兩級放大器和緩沖電路，分別為依次 連接的第一級放大器、緩沖電路和第二級放大器。
[0014] 進(jìn)一步優(yōu)選的，所述第一級放大器型號為0PA2277且放大倍數(shù)為40,所述第二級放 大器型號為AD620且放大倍數(shù)為20,輸入端為差分方式。通過采用型號為0PA2277的第一級 放大器且設(shè)置緩沖電路，可減少肌電信號源內(nèi)阻對差分放大器影響，同時緩沖電路的設(shè)置 使得第一級放大器只具有放大差模信號的作用，差分增益可通過調(diào)節(jié)緩沖電路來實(shí)現(xiàn)，通 過采用型號為AD620第二級放大器，使得肌電信號采集模塊具有優(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)簡單，成本適中，對人機(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，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，獲取的控制信號更加準(zhǔn)確，因此，該系統(tǒng)具有較 高識別率，可以對四軸飛行器進(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，基于表面肌電信號的四軸飛行器控制系統(tǒng)，包括肌電信號獲取模塊、 肌電信號處理模塊和人機(jī)交互模塊，其中，
[0026] 所述肌電信號獲取模塊包括肌電信號采集模塊和肌電信號存儲模塊，所述肌電信 號采集模塊，用于對人體前臂表面肌電信號進(jìn)行采集，所述肌電信號存儲模塊，用于存儲人 體前臂表面肌電信號；
[0027] 所述肌電信號處理模塊，用于讀取肌電信號存儲模塊的人體前臂表面肌電信號， 并提取表面肌電特征值，將表面肌電特征值進(jìn)行模式識別，輸出控制信號；
[0028] 所述人機(jī)交互模塊，接收肌電信號處理模塊輸出的控制信號，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，使得兩級放大電路采用差分方式，可有效抑制 共模干擾信號。
[0030] 進(jìn)一步優(yōu)選的，所述前端差分放大電路包括兩級放大器和緩沖電路，分別為依次 連接的第一級放大器、緩沖電路和第二級放大器。
[0031] 進(jìn)一步優(yōu)選的，所述第一級放大器型號為0PA2277且放大倍數(shù)為40,所述第二級放 大器型號為AD620且放大倍數(shù)為20,輸入端為差分方式。通過采用型號為0PA2277的第一級 放大器且設(shè)置緩沖電路，可減少肌電信號源內(nèi)阻對差分放大器影響，同時緩沖電路的設(shè)置 使得第一級放大器只具有放大差模信號的作用，差分增益可通過調(diào)節(jié)緩沖電路來實(shí)現(xiàn)，通 過采用型號為AD620第二級放大器，使得肌電信號采集模塊具有優(yōu)良的共模抑制能力。
[0032] 所述肌電信號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， 前端差分放大電路對表面肌電信號進(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，該濾波信號傳輸至肌電信號處理模塊。
[0033] 優(yōu)選的，所述基于表面肌電信號的四軸飛行器控制系統(tǒng)
[0034] 基于上述表面肌電信號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，肌電信號采集模塊采集前臂表面肌電信號，并 將前臂表面肌電信號傳輸至肌電信號處理模塊；
[0036] 步驟二:肌電信號處理模塊獲取前臂表面肌電信號，對前臂表面肌電信號進(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:肌電信號處理模塊對步驟二中的表面肌電特征值進(jìn)行模式識別，獲取控 制信號；
[0038]步驟四：人機(jī)交互模塊接收控制信號，并通過人機(jī)交互接口將控制信號傳輸至執(zhí) 行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)控制信號做出相應(yīng)的動作。
[0039]在表面肌電信號的特征提取領(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，需要知道信號的全部時域信息，這一點(diǎn)很難滿 足要求;另外，信號的整個頻譜特征受某一時刻變化的很大影響。這些都限制了傳統(tǒng)傅里葉 變化在表面肌電信號特征提取中的應(yīng)用。
[0040]自回歸模型法(auto-regressive，簡稱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模型要求信號滿足短時平穩(wěn)條件即可，即在分析的信號段內(nèi)保持平穩(wěn)， 表面肌電信號恰好可以滿足這個限制條件。AR模型將信號分析過程中的隨機(jī)性和有限的可 預(yù)測性結(jié)合起來。研究肌電信號可以通過研究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，對步驟二中的表面肌電特征值進(jìn)行模式識別，獲取控制信 號具體方法如下：
[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)對分類器輸入進(jìn)行分類，輸 出運(yùn)動模式分類結(jié)果向量，并將運(yùn)動模式分類結(jié)果向量作為控制信號。
[0046] 所述步驟二和步驟三的【具體實(shí)施方式】如下：
[0047]建立表面肌電信號的AR模型，模型表示如下
[0048] (1)
[0049] AT，yi衣不衣IMJ肌電信號的第i個米樣值，aj表不AR模型的第j個系數(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對模式識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，信號分析和識別性能較優(yōu)。當(dāng)階數(shù)P 值為4時，信號的分析和和識別性能最好。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)對信號進(jìn)行分 類，輸出運(yùn)動模式分類結(jié)果向量，將運(yùn)動模式分類結(jié)果向量作為相應(yīng)的控制信號，控制四軸 飛行器進(jìn)行相應(yīng)的飛行動作。
[0055] 實(shí)施例:肌電信號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放大器、緩沖電路和第二級放 大器，第一級放大器型號為0PA2277且放大倍數(shù)設(shè)置為40，第二級放大器型號為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 臂不同的動作對應(yīng)的AR系數(shù)不同。
[0057]表1表面肌電信號AR系數(shù)
[0061 ]由表2看出，本發(fā)明建立表面肌電信號的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)分類識別結(jié)果如表2所示，由表2看出，本發(fā)明提出的方案對表面肌 電信號進(jìn)行了正確的識別。
[0062]上述雖然結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行了描述，但并非對本實(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. 基于表面肌電信號的四軸飛行器控制系統(tǒng)，其特征是，包括肌電信號獲取模塊、肌電 信號處理模塊和人機(jī)交互模塊，其中，所述肌電信號獲取模塊包括肌電信號采集模塊和肌 電信號存儲模塊，所述肌電信號采集模塊，用于對人體前臂表面肌電信號進(jìn)行采集，所述肌 電信號存儲模塊，用于存儲人體前臂表面肌電信號； 所述肌電信號處理模塊，用于讀取肌電信號存儲模塊的人體前臂表面肌電信號，并提 取表面肌電特征值，將表面肌電特征值進(jìn)行模式識別，輸出控制信號； 所述人機(jī)交互模塊，接收肌電信號處理模塊輸出的控制信號，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的四軸飛行器控制系統(tǒng)，其特征是，所述肌電 信號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放大器和緩沖電路，分別為依次連接的第一級放大器、緩沖電路和 第二級放大器。4. 如權(quán)利要求3所述的基于表面肌電信號的四軸飛行器控制系統(tǒng)，其特征是，所述第一 級放大器型號為0PA2277且放大倍數(shù)為40,所述第二級放大器型號為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】A61B5/0476GK205540291SQ201620382919
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月29日
【發(fā)明人】胡睿, 劉宇飛, 趙志國, 高鋒, 靖向前, 張進(jìn)
【申請人】泰山醫(yī)學(xué)院