[发明专利]一种基于肌电信号的外骨骼行走模式识别方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于外骨骼的人体行走模式识别方法，具体为一种基于肌电信号的外骨骼行走模式识别方法。

背景技术

随着现代社会老龄化问题的日益加重，老年人的健康问题得到了全社会的广泛关注，其中腿脚不灵便是老年人生活中非常头疼的问题，很多老年人在上台阶或长时间行走时会感到腿脚无力，严重影响其正常的生活。外骨骼可以为老年人或行走不便者在平地行走、上下楼梯及上下坡过程中提供外在助力，帮助其保持适当的活动，对于提高老年人生活质量、减轻家庭和社会的负担具有重要意义。

外骨骼是以人的运动意图为向导，只有快速准确的检测出人体的行走模式，才能及时提供合适的动力，否则外骨骼将不再是助力而将成为行走的负担。因此，及时准确地识别行走模式是外骨骼控制的前提与基础。目前，外骨骼主要通过运动学信息对人体行走模式等进行识别，中国专利CN200910184850.0公开的“基于加速度传感器人体运动识别系统及方法”和CN201210156396.X公开的“一种基于加速度传感器的运动识别方法”均采集加速度信息进行识别，但是加速度信息是在受试者完成一定动作之后才能采集到，不能及时地识别相应的运动，导致外骨骼控制滞后于穿戴者的行为。肌电信号是产生肌肉力的电信号根源，发生在大脑产生动作意愿之后，肌肉收缩之前，是更靠近原始运动意图的信号。通过肌电信号可以在未做出动作前获取主动运动意图，相对于仅仅采集姿态、速度等运动力学信息的传统方法具有明显优势。

专利号为CN201210214871.4的中国专利公开的肌电信号与关节角度信息融合的下肢运动轨迹预测方法，利用肌电信号与膝关节角度信息，可以识别行走、站起、下蹲和伸膝四种下肢运动模式用于下肢假肢控制，其不足之处是利用Vicon三维运动捕捉系统计算膝关节角度，增加了信息采集的难度，将受试者的活动区域限制在特定的实验室，不利于技术的推广应用，而且并未提及上下楼梯和上下坡等常见路况信息的识别。但是，对于提供助力的外骨骼来说，及时识别上下楼梯和上下坡等行走模式，对于外骨骼控制和人机协调运动是非常关键和必要的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基于肌电信号的外骨骼行走模式识别方法。该方法可识别日常生活中常见的平地行走、上楼梯、下楼梯、上斜坡、下斜坡5种行走模式，能解决现有技术中的行走模式识别结果滞后、缺乏有效的路况识别方法等技术问题。

本发明解决所述技术问题所采用的技术方案是：设计一种基于肌电信号的外骨骼行走模式识别方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤(1)肌电信号采集，将肌电电极沿着所选肌群肌纤维的方向贴附在肌腹处，肌电信号传感器通过电极扣与肌电电极相连，固定于外骨骼上的单片机通过导线与肌电信号传感器相连，采集肌电信号；

步骤(2)肌电信号调理，经过步骤(1)后，将肌电电极采集的表面肌电信号输入肌电信号传感器进行信号调理，所述信号调理依次包括隔直处理，放大环节，50Hz工频滤波和低通滤波，将得到的信号输入单片机进行分析处理；

步骤(3)基于阈值分割的SVM-KNN分类算法进行外骨骼行走模式识别，经步骤(2)处理的表面肌电信号输入单片机进行A/D转换、预处理消除零点漂移、检测特征提取初始时刻、特征提取和基于阈值分割的SVM-KNN分类算法分类，最终识别外骨骼行走模式。

所述步骤(3)特征提取初始时刻的具体识别方法如下：

对臀中肌表面肌电信号采用移动时间窗的方法识别特征提取初始时刻，对选定肌肉群组在特征提取初始时刻确定之后的150ms进行时域特征提取；

a.确定每个移动时间窗的长度M和所取连续移动时间窗的个数N；M的取值范围为30-80ms，N的取值范围为3-6；

b.对每个移动时间窗内的信号进行积分，求得每个移动时间窗的能量，计算公式为(1)式：