[发明专利]基于肌电和加速度自适应控制的智能轮椅控制系统

摘要

本发明公开了一种基于肌电和加速度自适应控制的智能轮椅控制系统，包括信号获取模块，信号处理模块和无线通信模块；信号获取模块包括肌电信号采集单元和加速度信号采集单元，利用肌电信号采集单元同步采集获得人体前臂的伸指总肌、尺侧腕伸肌和肱桡肌的表面肌电信号，利用加速度信号采集单元采集获得人体前臂的加速度信号。本发明以手势动作代替接触式控制方式，能有效提高人机交互体验质量和康复人群的康复积极性。

主权项

1.一种基于肌电和加速度自适应控制的智能轮椅控制系统，其特征是：所述系统包括信号获取模块，信号处理模块和无线通信模块；所述信号获取模块包括肌电信号采集单元和加速度信号采集单元，利用肌电信号采集单元同步采集获得人体前臂的伸指总肌、尺侧腕伸肌和肱桡肌的表面肌电信号，利用加速度信号采集单元采集获得人体前臂的加速度信号；所述信号处理模块，用于对采集到的表面肌电信号进行AD转换和通过IIC协议读取加速度信号，并分别提取特征值，利用所述特征值进行特定动作模式的模式识别，根据特定动作模式相应输出轮椅控制信号；所述无线通信模块，用于将所述信号处理模块输出的控制信号传送至轮椅控制电路，实现轮椅前进、后退、左转、右转或停止的智能控制；所述特定动作模式为手势动作，包括：伸腕、屈腕、伸掌和握拳；以伸腕动作对应控制轮椅前进；以屈腕动作对应控制轮椅后退；以伸掌动作对应控制轮椅停止；以握拳动作对应控制轮椅转弯，并针对加速度信号进行向量积计算判断旋转方向，设定：人体前臂顺时针旋转对应控制轮椅左转弯，人体前臂逆时针旋转对应控制轮椅右转弯；针对同步采集获得的伸指总肌、尺侧腕伸肌和肱桡肌的肌电信号分别进行加窗处理，一一对应计算获得各肌电信号窗内所有采样点的均方根，分别为伸指总肌肌电信号的均方根A、尺侧腕伸肌肌电信号的均方根B和肱桡肌肌电信号的均方根C；将均方根A、均方根B和均方根C求取平均值D；逐次移动窗函数并作如下判断：若所述平均值D大于起始阈值则判断为活动点，当活动点连续个数达到6时，判断为动作开始；在动作开始之后，若所述平均值D小于结束阈值则判断为结束点，当结束点连续个数达到5时，判断为动作结束，完成一次手势动作判断，定义自动作开始到动作结束为活动段，针对活动段进行手势动作和旋转方向的判断；按如下方式确定起始阈值和结束阈值：在人体前臂呈静息状态下，获取伸指总肌的时长为1s的静息状态肌电信号，针对所述静息状态肌电信号计算获得其平均值和方差，同样方式分别获得尺侧腕伸肌和肱桡肌的静息状态肌电信号的平均值和方差；取均值a为所述伸指总肌、尺侧腕伸肌和肱桡肌的静息状态肌电信号平均值的均值；取均值b为所述伸指总肌、尺侧腕伸肌和肱桡肌的静息状态肌电信号方差的均值；则起始阈值为a+5b，结束阈值为a+3b；按如下方式进行手势动作和旋转方向的判断：针对所述活动段中伸指总肌、尺侧腕伸肌和肱桡肌的肌电信号分别进行特征值提取，所述特征值包括均方根、标准差和自回归模型系数，其中回归模型的阶数选为4；由提取获得的活动段中的伸指总肌、尺侧腕伸肌和肱桡肌的所有特征值组成特征向量，将所述特征向量作为分类器的输入，通过分类器进行自适应模式识别，输出用于判断手势动作的分类结果向量；若判断手势动作为握拳，则针对活动段中所采集的加速度信号通过加速度向量的向量积运算，获得表征轮椅转弯方向的旋转特征值；将所述分类结果向量和旋转特征值作为轮椅控制信号，实现针对特定动作模式的轮椅控制。