[发明专利]一种基于表面肌电信号的智能轮椅人机协同控制系统

说明书

本申请涉及智能轮椅控制系统的技术领域，尤其是一种基于表面肌电信号的智能轮椅人机协同控制系统，包括肌电解码模块、环境检测模块、运动规划模块和运动控制模块；肌电解码模块包括手势检测子模块和肌肉刚度检测子模块；手势检测子模块用于生成手势信息以确定目标点位置；肌肉刚度检测子模块用于生成肌肉刚度信息以关联轮椅速度；环境检测模块用于检测轮椅周围障碍物的位置；运动规划模块用于接收手势确定的目标点位置信息、环境检测模块确定的障碍物位置信息及肌肉刚度关联的轮椅速度信息，规划轮椅的安全轨迹；运动控制模块用于生成运动指令；本发明能够通过肌电信号设置目标点，规划安全轨迹驱往目标点，具有方便使用、减少操作负担的效果。

技术领域

本发明涉及智能轮椅控制系统的技术领域，特别是一种基于表面肌电信号的智能轮椅人机协同控制系统。

背景技术

根据第二次全国残疾人抽样调查数据显示，截至2012年我国肢体残疾人总数接近2472万，其中下肢残疾人数占比约70％。轮椅可为下肢运动功能障碍患者提供生活便利，然而，对于身体严重瘫痪的残障人士，常规的轮椅操控方式难以满足要求，基于此难题，通过表面肌电信号来控制轮椅是一种有效方式。当前，肌电控制的智能轮椅较少，而且普遍存在缺乏自主决策能力、智能化程度较低、用户的操作负担较大等问题。

发明内容

针对上述背景，本发明的目的在于提出一种基于表面肌电信号的智能轮椅人机协同控制系统，通过肌电信号设置目标点，智能轮椅检测障碍物并自动规划安全轨迹驱往设置的目标点，具有方便使用、减少操作负担的效果。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于表面肌电信号的智能轮椅人机协同控制系统，包括肌电解码模块、环境检测模块、运动规划模块和运动控制模块；

肌电解码模块包括手势检测子模块和肌肉刚度检测子模块；

手势检测子模块用于通过肌电手环采集肌电信号，并识别操作者的当前手势，生成手势信息；手势用于指定目标点的方向和距离；

肌肉刚度检测子模块通过六导联肌电传感器采集肌电信号，并识别当前手臂肌肉的刚度，生成肌肉刚度信息；肌肉刚度用于调节轮椅的速度；

环境检测模块用于通过激光传感器检测获得轮椅周围障碍物的位置，并反馈给运动规划模块；

运动规划模块用于接收目标点位置信息和障碍物位置信息以及肌肉刚度关联的轮椅速度信息，采用角度势场法规划出轮椅从起点到目标点的安全轨迹；

运动控制模块采用反演控制器跟踪运动规划模块所规划的安全轨迹，生成运动指令，以驱动轮椅按照规划的安全轨迹运动。

优选的，所述手势检测子模块包括样本训练单元，所述样本训练单元用于对每一种手势的肌电信号进行采集，建立数据库以保存所有采集的手势样本，对每一个样本，提取出其肌电信号，进行数据处理，筛选出有效的信号段，对该信号段进行特征提取，得到训练样本的特征及样本模型，借助动态时间归整匹配算法训练出能够有效识别手势的K-近邻分类器。

优选的，所述手势检测子模块还包括未知手势识别单元，未知手势识别单元用于将一个新用户的手势作为一个未知手势输入，提取出其肌电信号，进行数据处理和特征提取，与所述样本训练单元训练得到的样本模型进行动态时间归整匹配，通过K-近邻分类器进行判断，以得到未知手势的具体手势类别。

优选的，所述手势检测子模块采用极坐标的方式设置轮椅目标点，包括：

以轮椅的当前位置为极坐标的原点，通过肌电手环的手势识别结果来指定目标点的方向和距离，通过六导联肌电传感器获取的肌肉刚度来调节引力势场的势能强度，以调整轮椅速度，极坐标表示量X＝[r_s,θ_s]^T被定义为：