專利名稱：基于語(yǔ)音與肌電信息識(shí)別的假肢控制系統(tǒng)和方法
基于語(yǔ)音與肌電信息識(shí)別的假肢控制系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及假肢技術(shù)，尤其是涉及一種假肢控制系統(tǒng)和方法。背景技術(shù)：
據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局2006年對(duì)我國(guó)殘疾人口抽樣調(diào)查數(shù)據(jù)推算，在全國(guó)各類殘疾人中， 肢體殘疾人口最多，為2412萬(wàn)人，占總殘疾人口的29. 07%。由于意外事故、先天缺陷、疾 病、自然災(zāi)害等原因，肢體殘疾人口還在不斷增加。僅在2008年5月的四川汶川大地震中， 就有2萬(wàn)多人失去了肢體。這些截肢人士，需要穿戴人工肢體以輔助其日常生活和工作。目前，國(guó)內(nèi)外的商業(yè)化人工肢體有機(jī)械索控假肢、肌電假肢和肌電索控混合假肢。傳統(tǒng)的機(jī)械索控假肢是利用假肢使用者的自身力源，通過(guò)殘留肢體的機(jī)械動(dòng)作拉 動(dòng)繩索或鏈條來(lái)操控假肢的肘關(guān)節(jié)及手部裝置。由于控制方法的固有局限，機(jī)械索控假肢 存在著功能單一、操控緩慢、動(dòng)作笨拙、維護(hù)困難等問(wèn)題。近幾十年以來(lái)，從肢體表面記錄的肌電信號(hào)(electromyogram，EMG)被廣泛用于 人工上肢的控制中。肌電式人工上肢給上肢截肢的殘疾人提供了改進(jìn)生活質(zhì)量的機(jī)會(huì)，即 使不能像自然上肢活動(dòng)那么自如，肌電假肢也可以幫助他們恢復(fù)上肢一些本能的、基本的 生理功能，輔助其日常生活。截肢者殘留肌肉收縮時(shí)，會(huì)發(fā)生復(fù)雜的生化反應(yīng)，在皮膚表面 產(chǎn)生可被測(cè)取的微小電位差，這種肌電電位差信號(hào)被電極傳感器獲取，經(jīng)放大器進(jìn)行放大， 成為控制信號(hào)，輸入微處理器，再由微處理器發(fā)出活動(dòng)指令，通過(guò)微型馬達(dá)等驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng) 假肢關(guān)節(jié)張合。目前的肌電假肢利用一對(duì)殘留肌肉(主縮肌與拮抗肌)控制一個(gè)動(dòng)作自由度。肢 體截肢后，肌電信息源是有限的，截肢的程度越高，殘留的肢體肌肉越少，而需要恢復(fù)的肢 體動(dòng)作越多。因此，用這種傳統(tǒng)的肌電控制方式實(shí)現(xiàn)假肢的多自由度控制是非常困難的。為 了利用一對(duì)肌肉控制更多的運(yùn)動(dòng)自由度，肌電假肢增加了肢體動(dòng)作“模式”切換功能?！澳?式”的切換是利用同時(shí)使一對(duì)肌肉“收縮(co-contraction)”或附加開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。假設(shè)一 個(gè)3自由度人工上肢的模式切換順序?yàn)槭植?腕部-肘部，如果當(dāng)前假肢的“模式”是手 部動(dòng)作，而假肢使用者下一步想做肘部的動(dòng)作，他們需要使一對(duì)肌肉同時(shí)“收縮”產(chǎn)生肌電， 實(shí)現(xiàn)假肢的動(dòng)作“模式”從手部切換到腕部；再次使這對(duì)肌肉同時(shí)“收縮”，從而從腕部切換 到肘部。然后，假肢使用者可以利用兩個(gè)EMG電極分別控制假肢的兩個(gè)不同的肘部動(dòng)作，例 如前臂的抬起與放下。這種模式切換的方法使得使用者的訓(xùn)練過(guò)程漫長(zhǎng)，精神負(fù)擔(dān)大。高 自由度的肌電假肢需要更多的運(yùn)動(dòng)類型控制信號(hào)和自由度轉(zhuǎn)換信號(hào)，以三自由度肌電假肢 為例，不同的自由度間只能進(jìn)行順序轉(zhuǎn)換，即如果從自由度1到自由度3，不能直接進(jìn)行轉(zhuǎn) 換，而必須先轉(zhuǎn)換到自由度2，再?gòu)哪亲杂啥?轉(zhuǎn)換到自由度3。使用者需要練習(xí)控制肌肉進(jìn) 行不同程度的收縮，進(jìn)行手掌、腕部和肘部的運(yùn)動(dòng)，顯而易見(jiàn)，這個(gè)訓(xùn)練過(guò)程及其的困難、痛 苦。如果需要做一個(gè)三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，必須先控制肌肉收縮依次轉(zhuǎn)換到每個(gè)自由度下，再 控制肌肉收縮做該自由度下的運(yùn)動(dòng)，這樣耗費(fèi)了大量的時(shí)間和精力，增加了使用者的負(fù)擔(dān)。 由于操控過(guò)程的繁瑣性，導(dǎo)致假肢的使用不便。
發(fā)明內(nèi)容有鑒于此，有必要提供一種提高使用便利性的假肢控制系統(tǒng)。一種假肢控制系統(tǒng)，包括語(yǔ)音信號(hào)模塊、肌電信號(hào)模塊、控制模塊及驅(qū)動(dòng)假肢運(yùn)動(dòng) 的驅(qū)動(dòng)模塊，所述語(yǔ)音信號(hào)模塊采集語(yǔ)音信號(hào)并將所述語(yǔ)音信號(hào)發(fā)送至所述控制模塊，所 述控制模塊根據(jù)所述語(yǔ)音信號(hào)選擇假肢活動(dòng)的自由度；所述肌電信號(hào)模塊采集肌電信號(hào)并 將所述肌電信號(hào)發(fā)送至所述控制模塊，所述控制模塊根據(jù)所述肌電信號(hào)及所述自由度控制 所述驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)假肢運(yùn)動(dòng)。優(yōu)選地，所述控制模塊還根據(jù)所述語(yǔ)音信號(hào)確定在所述自由度上的運(yùn)動(dòng)方向。優(yōu)選地，所述控制模塊還根據(jù)所述肌電信號(hào)確定在所述自由度上的運(yùn)動(dòng)方向。優(yōu)選地，所述控制模塊還根據(jù)所述肌電信號(hào)確定運(yùn)動(dòng)的開始、停止及速度。優(yōu)選地，所述控制模塊包括語(yǔ)音識(shí)別單元，所述語(yǔ)音識(shí)別單元采用模板匹配法識(shí) 別所述語(yǔ)音信號(hào)與所述自由度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。優(yōu)選地，所述語(yǔ)音信號(hào)模塊包括采集語(yǔ)音的傳感器，所述傳感器為聽診式語(yǔ)音傳 感器。優(yōu)選地，所述語(yǔ)音信號(hào)模塊還包括信號(hào)預(yù)處理單元和信號(hào)傳輸單元，所述信號(hào)預(yù) 處理單元包括對(duì)所述傳感器采集的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行放大的放大器、將放大后的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行 濾波的濾波器、及對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述信號(hào)傳輸單元采用無(wú)線信 號(hào)將所述語(yǔ)音信號(hào)傳輸至所述控制模塊。優(yōu)選地，所述無(wú)線信號(hào)采用藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)或802. 11無(wú)線通訊技術(shù)。另外，還有必要提供一種提高使用便利性的假肢控制方法。一種假肢控制方法，包括如下步驟采集語(yǔ)音信號(hào)；根據(jù)所述語(yǔ)音信號(hào)選擇假肢 活動(dòng)的自由度；采集肌電信號(hào)；根據(jù)所述肌電信號(hào)及所述自由度控制假肢運(yùn)動(dòng)。優(yōu)選地，還包括根據(jù)所述語(yǔ)音信號(hào)確定在所述自由度上的運(yùn)動(dòng)方向或根據(jù)所述肌 電信號(hào)確定在所述自由度上的運(yùn)動(dòng)方向的步驟。優(yōu)選地，所述采集語(yǔ)音信號(hào)的步驟為通過(guò)聽診式語(yǔ)音傳感器采集耳語(yǔ)語(yǔ)音獲得所 述語(yǔ)音信號(hào)。上述假肢控制方法及系統(tǒng)通過(guò)語(yǔ)音控制選擇自由度，降低了對(duì)肌電信號(hào)的依賴， 提高了假肢使用的便利性。

圖1為假肢控制系統(tǒng)的模塊圖；圖2為語(yǔ)音信號(hào)模塊的模塊圖；圖3為語(yǔ)音信號(hào)模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式如圖1所示，其為假肢控制系統(tǒng)的模塊圖。假肢控制系統(tǒng)100包括語(yǔ)音信號(hào)模塊 110、肌電信號(hào)模塊120、控制模塊130及驅(qū)動(dòng)模塊140。控制模塊130對(duì)語(yǔ)音信號(hào)模塊110 及肌電信號(hào)模塊120采集的信號(hào)進(jìn)行分析處理，根據(jù)分析處理結(jié)果控制驅(qū)動(dòng)模塊140驅(qū)動(dòng)假肢執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。具體而言，控制模塊130根據(jù)語(yǔ)音信號(hào)模塊110采集的語(yǔ)音信號(hào)選 擇假肢活動(dòng)的自由度，例如選擇是手部活動(dòng)、腕部活動(dòng)或肘部活動(dòng)等。在確定假肢活動(dòng)的自 由度后，根據(jù)肌電信號(hào)模塊120采集的肌電信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)模塊140驅(qū)動(dòng)假肢在選定的自由 度上運(yùn)動(dòng)，其中運(yùn)動(dòng)的起止時(shí)間及運(yùn)動(dòng)的速度由肌電信號(hào)確定。在一個(gè)自由度上的運(yùn)動(dòng)方 向可以根據(jù)語(yǔ)音信號(hào)來(lái)確定，也可以根據(jù)肌電信號(hào)來(lái)確定。語(yǔ)音信號(hào)模塊110采集語(yǔ)音信號(hào)并將語(yǔ)音信號(hào)發(fā)送至控制模塊130。如圖2所示， 語(yǔ)音信號(hào)模塊110包括采集語(yǔ)音的傳感器112、信號(hào)預(yù)處理單元114和信號(hào)傳輸單元116。本實(shí)施方式中傳感器112為聽診式語(yǔ)音傳感器。傳統(tǒng)的語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)采集的聲音 信號(hào)，是使用帶有數(shù)字采樣和處理的外部麥克，探測(cè)通過(guò)空氣傳播的語(yǔ)音信號(hào)，但是這種方 法是極易受到外部噪聲影響的。特別是在嘈雜的環(huán)境中多個(gè)人同時(shí)發(fā)出的聲音被麥克采 集，使用者的聲音混淆其中，識(shí)別系統(tǒng)很難判斷出哪個(gè)是真正的指令，從而產(chǎn)生錯(cuò)誤的識(shí)別 結(jié)果。此外，在公共場(chǎng)合使用語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)的人，也會(huì)面對(duì)在有別人的場(chǎng)合直接對(duì)機(jī)器說(shuō)話 而感到尷尬。本實(shí)施方式通過(guò)聽診式語(yǔ)音傳感器采集的聲音信號(hào)是耳語(yǔ)語(yǔ)音(whisper)，使 用者以低音發(fā)音說(shuō)出相應(yīng)語(yǔ)音指令，這些指令不需要經(jīng)過(guò)空氣傳播被麥克采集，而是通過(guò) 附著在耳后部的聽診式語(yǔ)音傳感器采集經(jīng)頭部軟組織傳播的無(wú)聲帶振動(dòng)語(yǔ)音信號(hào)。在這個(gè) 位置，麥克是附著在一塊厚肌肉上，頸動(dòng)脈的振動(dòng)噪聲很難混合進(jìn)來(lái)，而耳朵后面的下方部 分處于頭發(fā)和胡須的分界線上，是一塊不會(huì)生長(zhǎng)出毛發(fā)的光滑皮膚，有利于聽診式語(yǔ)音傳 感器的附著，因此很適合本技術(shù)方案的實(shí)現(xiàn)。聽診式語(yǔ)音傳感器類似于去掉傳播管的醫(yī)用聽診器，嵌入到聽診式語(yǔ)音傳感器中 的小型電容話筒可以用于感知耳語(yǔ)產(chǎn)生的頭部肌肉震動(dòng)。把它放置在下頌骨處，可以感知 一些很小聲的、周圍人甚至是使用者本身都聽不見(jiàn)的耳語(yǔ)語(yǔ)音。圖3展示了語(yǔ)音信號(hào)模塊 110的結(jié)構(gòu)，其中，聽診式語(yǔ)音傳感器包括吸盤310、固定盤320、電容話筒330和殼體340。 彈性樹脂吸盤310附著在商用聚酯固定盤320 (40mm直徑)上，固定盤320也被用作振動(dòng)盤， 這兩部分組成了一個(gè)微型回聲空間312，同時(shí)固定盤320可以幫助傳感器附著在皮膚上。電 容話筒330通過(guò)微回聲空間312的小孔314采集軟組織的振動(dòng)(即耳語(yǔ)語(yǔ)音)，將其轉(zhuǎn)化 為可識(shí)別的電信號(hào)。吸盤310安裝在合成橡膠殼體340上。這種附著在皮膚上的傳感器不 會(huì)給人不舒服的感覺(jué)，就好像帶著雙耳式耳機(jī)一樣，使用著即使連續(xù)佩戴24小時(shí)也沒(méi)有問(wèn) 題。電容話筒330上方的集成芯片350包括信號(hào)預(yù)處理單元114和信號(hào)傳輸單元116。 信號(hào)預(yù)處理單元114包括對(duì)所述傳感器采集的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行放大的放大器、將放大后的語(yǔ) 音信號(hào)進(jìn)行濾波的濾波器及對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器。由于本技術(shù)使 用的是耳語(yǔ)語(yǔ)音，因此電容話筒330采集得到的語(yǔ)音信號(hào)非常微弱，需要先經(jīng)過(guò)高性能、低 噪聲、低功耗的麥克放大器放大信號(hào)，這樣在無(wú)線傳輸中才不會(huì)發(fā)生丟失信號(hào)的情況；然后 低通濾波去掉信號(hào)中混雜的一些生理噪聲；由于肌電控制器處理的是數(shù)字信號(hào)，因此還需 要對(duì)電容話筒采集的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將它從模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)。信號(hào)傳輸單元116中的無(wú)線傳輸電路采用藍(lán)牙(Bluetooth)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，它采用的 是一種擴(kuò)展窄帶信號(hào)頻譜的數(shù)字編碼技術(shù)，通過(guò)編碼運(yùn)算增加了發(fā)送比特的數(shù)量，擴(kuò)大了 使用的帶寬。工作頻段為2. 4GHz，可以為電器設(shè)備提供聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ埽瑢⑹箒?lái)自各 個(gè)設(shè)備制造商的設(shè)備能以同樣的"語(yǔ)言"進(jìn)行交流。在技術(shù)上，它是應(yīng)用跳頻擴(kuò)展頻譜新技術(shù)解決干擾的問(wèn)題。跳頻技術(shù)是把頻帶分成若干個(gè)跳頻信道(hopcharmel)，在一次連接 中，無(wú)線電收發(fā)器按一定的碼序列(即一定的規(guī)律，技術(shù)上叫做"偽隨機(jī)碼"，就是"假" 的隨機(jī)碼)不斷地從一個(gè)信道"跳"到另一個(gè)信道，只有收發(fā)雙方是按這個(gè)規(guī)律進(jìn)行通信 的，而其它的干擾不可能按同樣的規(guī)律進(jìn)行干擾。跳頻擴(kuò)頻使得帶寬上信號(hào)的功率譜密度 降低，從而大大提高了系統(tǒng)抗電磁干擾、抗串話干擾的能力，使得藍(lán)牙的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸更加 可靠。在本實(shí)施方式中應(yīng)用藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)將數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)從語(yǔ)音信號(hào)模塊110傳輸?shù)娇刂?模塊130中，由控制模塊130對(duì)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別處理。在其他實(shí)施方式中，還可以采用其他無(wú) 線信號(hào)傳輸?shù)姆绞?，例如采?02. 11無(wú)線通訊技術(shù)(如802. Ilp,802. 15. 4(即zigbee無(wú) 線網(wǎng)絡(luò)技術(shù))等)替代藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)。肌電信號(hào)模塊120采集肌電信號(hào)并將肌電信號(hào)發(fā)送至控制模塊130。肌電信號(hào)的 采集是通過(guò)放置在使用者皮膚表面的雙極電極實(shí)現(xiàn)的，雙極電極可以感應(yīng)表面肌電信號(hào)的 變化，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出到控制模塊130中。控制模塊130與語(yǔ)音信號(hào)模塊110及肌電信號(hào)模塊120連接，接收語(yǔ)音信號(hào)及肌 電信號(hào)并對(duì)語(yǔ)音信號(hào)及肌電信號(hào)進(jìn)行分析處理。對(duì)于語(yǔ)音信號(hào)的分析處理包括根據(jù)語(yǔ)音信號(hào)選擇假肢活動(dòng)的自由度，例如選擇是 手部活動(dòng)、腕部活動(dòng)或肘部活動(dòng)等?？刂颇K130包括語(yǔ)音識(shí)別單元，語(yǔ)音識(shí)別單元采用模 板匹配法識(shí)別語(yǔ)音信號(hào)與自由度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由于需要用到的自由度數(shù)量并不多，語(yǔ)音識(shí) 別僅需要識(shí)別幾個(gè)簡(jiǎn)單的詞匯，屬于小詞匯表、孤立詞、特定人語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)，不需要復(fù)雜 的語(yǔ)音識(shí)別算法，故采用模板匹配方法。語(yǔ)音識(shí)別的訓(xùn)練過(guò)程是逐幀提取語(yǔ)音信號(hào)特征，生 成語(yǔ)音命令模板并將其存儲(chǔ)在控制模塊130中。識(shí)別時(shí)，語(yǔ)音識(shí)別單元提取語(yǔ)音信號(hào)特征， 進(jìn)行相似度比較，從而尋找到一個(gè)最相似的匹配模板，并將匹配模板的序號(hào)輸出，控制模塊 130根據(jù)該序號(hào)發(fā)出控制信號(hào)，完成語(yǔ)音信號(hào)的識(shí)別。除了模板匹配的方法外，還可以使用 其它語(yǔ)音識(shí)別方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如，隱馬爾科夫模型(HiddenMarkov Model, HMM)等。對(duì)于假肢的運(yùn)動(dòng)有多個(gè)決定因素，包括運(yùn)動(dòng)位置的選擇，即自由度的選擇，運(yùn)動(dòng)方 向的確定(在一個(gè)自由度上有兩個(gè)相反的運(yùn)動(dòng)方向)，運(yùn)動(dòng)的起始時(shí)間、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)的 截止時(shí)間。其中，自由度的選擇由語(yǔ)音信號(hào)確定；運(yùn)動(dòng)方向既可以由語(yǔ)音信號(hào)來(lái)確定，又可 以由肌電信號(hào)來(lái)確定；運(yùn)動(dòng)的起始時(shí)間、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)的截止時(shí)間由肌電信號(hào)來(lái)確定。在使用語(yǔ)音信號(hào)來(lái)確定運(yùn)動(dòng)方向時(shí)控制模塊130中設(shè)置與運(yùn)動(dòng)方向匹配的模 板，語(yǔ)音識(shí)別單元識(shí)別的結(jié)果包含運(yùn)動(dòng)方向的信息即可。肌電信號(hào)模塊120是通過(guò)一個(gè)置 于殘留肌肉表面的雙極電極實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)殘留肌肉可以是主縮肌也可以是拮抗肌，得到單 通道的表面肌電信號(hào)，通過(guò)控制模塊130分析、處理后，控制目標(biāo)動(dòng)作的執(zhí)行過(guò)程，即動(dòng)作 開始、停止及速度。本方案是通過(guò)訓(xùn)練語(yǔ)音識(shí)別單元“記憶”假肢所有的動(dòng)作類型(如手張 開/閉合、腕內(nèi)/外轉(zhuǎn)及肘關(guān)節(jié)彎曲/伸展等動(dòng)作)，摒棄了目前商業(yè)假肢的自由度模式轉(zhuǎn) 換方案。將訓(xùn)練后的語(yǔ)音識(shí)別單元嵌入到多自由度(模式)的上臂假肢控制模塊130中， 實(shí)現(xiàn)假肢運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作類型選擇；并用從一個(gè)雙極電極獲得單通道肌電信息，并用肌電信號(hào) 的幅值控制動(dòng)作的開始、停止與速度，即當(dāng)肌電幅值大于一個(gè)給定的“閾值”時(shí)，假肢開始執(zhí) 行目標(biāo)動(dòng)作，動(dòng)作的執(zhí)行速度與肌電幅值大小成正比；當(dāng)肌電幅值小于給定的“閾值”時(shí)，假 肢動(dòng)作停止。使用者在動(dòng)作時(shí)，先發(fā)出相應(yīng)的語(yǔ)音命令，語(yǔ)音識(shí)別單元識(shí)別出對(duì)應(yīng)的動(dòng)作類 型(包含選擇的自由度及其運(yùn)動(dòng)方向)，控制模塊130輸出控制命令動(dòng)作假肢接受命令，轉(zhuǎn)換到該動(dòng)作類型模式；然后收縮肌肉，根據(jù)肌電信號(hào)幅值大小決定假肢動(dòng)作的開始、停止與 速度，控制模塊130再次輸出控制命令，驅(qū)動(dòng)模塊140根據(jù)接收到的開始、停止與速度等信 息驅(qū)動(dòng)假肢執(zhí)行目標(biāo)動(dòng)作類型。在使用肌電信號(hào)來(lái)確定運(yùn)動(dòng)方向時(shí)控制模塊130中僅需設(shè)置與選擇自由度匹配 的模板即可，語(yǔ)音識(shí)別單元識(shí)別的結(jié)果則只包含選定的自由度信息。肌電信號(hào)模塊120的 肌電信號(hào)采集是通過(guò)放置在一對(duì)殘留肌肉(主縮肌與拮抗肌)上的一對(duì)雙極電極實(shí)現(xiàn)的， 得到雙通道的表面肌電信號(hào)，通過(guò)控制模塊分析、處理后，分別控制一個(gè)自由度中的兩個(gè)動(dòng) 作。例如可以用兩個(gè)通道的肌電信號(hào)的大小關(guān)系來(lái)確定在一個(gè)自由度中的運(yùn)動(dòng)方向。通過(guò) 訓(xùn)練語(yǔ)音識(shí)別單元“記憶”不同自由度的動(dòng)作模式(如肘、腕和手等)的，將訓(xùn)練后的語(yǔ)音 識(shí)別單元嵌入到多自由度(模式)的上臂假肢控制模塊中，實(shí)現(xiàn)假肢動(dòng)作的“模式”切換控 制；并用從一對(duì)雙極電極獲得的肌電信息訓(xùn)練一個(gè)肌電信息分類器，肌電分類器“記住”一 個(gè)自由度下的兩種動(dòng)作模式。使用者在動(dòng)作時(shí)，先發(fā)出相應(yīng)的語(yǔ)音命令，語(yǔ)音識(shí)別單元識(shí)別 出對(duì)應(yīng)的自由度，控制模塊輸出命令，動(dòng)作假肢接受命令切換到目標(biāo)自由度下；然后收縮肌 肉，通過(guò)肌電分類器識(shí)別出該自由度下要做的動(dòng)作類型，控制模塊130再輸出命令，驅(qū)動(dòng)模 塊140驅(qū)動(dòng)假肢做出該自由度下的目標(biāo)動(dòng)作。驅(qū)動(dòng)模塊140包括驅(qū)動(dòng)電路和驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，驅(qū)動(dòng)電路在接收到控制模塊130發(fā)送的 命令時(shí)，根據(jù)命令輸出相應(yīng)的電信號(hào)，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)在收到該電信號(hào)時(shí)確定轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)動(dòng)速 度，從而驅(qū)動(dòng)假肢做出相應(yīng)的動(dòng)作。上述假肢控制系統(tǒng)的工作過(guò)程可以概括歸納為如下假肢控制方法首先，采集語(yǔ)音信號(hào)，優(yōu)選為通過(guò)聽診式語(yǔ)音傳感器采集耳語(yǔ)語(yǔ)音獲得語(yǔ)音信號(hào)， 并通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線方式傳輸該語(yǔ)音信號(hào)，增加使用的便利性。根據(jù)所述語(yǔ)音信號(hào)選擇假肢活動(dòng)的自由度。對(duì)于上臂截肢的使用者，有手部、腕部 和肘部三個(gè)自由度，根據(jù)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的識(shí)別結(jié)果選擇相應(yīng)的自由度。當(dāng)然，自由度的數(shù)量也 可以是兩個(gè)、四個(gè)或者五個(gè)以上。采集肌電信號(hào)。通過(guò)放置在使用者皮膚表面的雙極電極感應(yīng)皮膚表面肌電信號(hào)的 變化，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。根據(jù)所述肌電信號(hào)及所述自由度控制假肢運(yùn)動(dòng)，在選定的自由度上由所述肌電信 號(hào)控制假肢運(yùn)動(dòng)。其中的運(yùn)動(dòng)方向可以由語(yǔ)音信號(hào)確定，也可以由肌電信號(hào)確定。上述假肢控制系統(tǒng)和方法可以達(dá)到如下效果(1)降低了使用者在訓(xùn)練過(guò)程中的難度不需要進(jìn)行殘留肌肉的多種收縮狀態(tài)訓(xùn) 練，減輕了使用者的精神負(fù)擔(dān)，使用者只需要在使用前在假肢中保存自己的控制指令，需要 假肢動(dòng)作時(shí)通過(guò)聽診式語(yǔ)音傳感器輸入語(yǔ)音指令即可。(2)降低了使用者穿戴假肢難度目前的肌電假肢都是要在使用著的殘留肌肉上 安放多個(gè)電極獲取肌電信號(hào)的，使用者每次穿戴假肢時(shí)都必須將這些電極放置在正確的位 置上，而上述假肢控制系統(tǒng)和方法可以只使用了一個(gè)至兩個(gè)電極，使得假肢穿戴過(guò)程簡(jiǎn)化， 節(jié)省了使用者大量的時(shí)間；(3)提高假肢的使用率由于傳統(tǒng)假肢控制的繁瑣性，據(jù)調(diào)查目前的假肢佩戴者 有50%的人不經(jīng)常使用他們的假肢，而難度的降低將使更多的人經(jīng)常使用他們的假肢；(4)降低假肢生產(chǎn)成本目前的商業(yè)化多自由度假肢，需要安裝大量電極和開發(fā)功能更強(qiáng)大的假肢控制器，因此造成假肢價(jià)格昂貴，超出了殘疾人家庭的負(fù)擔(dān)程度；而上述 假肢控制系統(tǒng)和方法只需要加一個(gè)簡(jiǎn)單的聽診式語(yǔ)音傳感器和相應(yīng)的語(yǔ)音識(shí)別模塊，就可 以大大提高假肢的運(yùn)動(dòng)效率和性能，成本增加相對(duì)低廉。 以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并 不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員 來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保 護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種假肢控制系統(tǒng)，包括驅(qū)動(dòng)假肢運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)模塊，其特征在于，所述假肢控制系統(tǒng)還包括語(yǔ)音信號(hào)模塊、肌電信號(hào)模塊及控制模塊，所述語(yǔ)音信號(hào)模塊采集語(yǔ)音信號(hào)并將所述語(yǔ)音信號(hào)發(fā)送至所述控制模塊，所述控制模塊根據(jù)所述語(yǔ)音信號(hào)選擇假肢活動(dòng)的自由度；所述肌電信號(hào)模塊采集肌電信號(hào)并將所述肌電信號(hào)發(fā)送至所述控制模塊，所述控制模塊根據(jù)所述肌電信號(hào)及所述自由度控制所述驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)假肢運(yùn)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的假肢控制系統(tǒng)，其特征在于，所述控制模塊還根據(jù)所述語(yǔ)音 信號(hào)確定在所述自由度上的運(yùn)動(dòng)方向。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的假肢控制系統(tǒng)，其特征在于，所述控制模塊還根據(jù)所述肌電 信號(hào)確定在所述自由度上的運(yùn)動(dòng)方向。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的假肢控制系統(tǒng)，其特征在于，所述控制模塊還根據(jù)所 述肌電信號(hào)確定運(yùn)動(dòng)的開始、停止及速度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的假肢控制系統(tǒng)，其特征在于，所述控制模塊包括語(yǔ)音識(shí)別單 元，所述語(yǔ)音識(shí)別單元采用模板匹配法識(shí)別所述語(yǔ)音信號(hào)與所述自由度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的假肢控制系統(tǒng)，其特征在于，所述語(yǔ)音信號(hào)模塊包括采集語(yǔ) 音的傳感器，所述傳感器為聽診式語(yǔ)音傳感器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的假肢控制系統(tǒng)，其特征在于，所述語(yǔ)音信號(hào)模塊還包括信號(hào) 預(yù)處理單元和信號(hào)傳輸單元，所述信號(hào)預(yù)處理單元包括對(duì)所述傳感器采集的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行 放大的放大器、將放大后的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波的濾波器、及對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的模 數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述信號(hào)傳輸單元采用無(wú)線信號(hào)將所述語(yǔ)音信號(hào)傳輸至所述控制模塊。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的假肢控制系統(tǒng)，其特征在于，所述無(wú)線信號(hào)采用藍(lán)牙無(wú)線技 術(shù)或802. 11無(wú)線通訊技術(shù)。
9.一種假肢控制方法，其特征在于，包括如下步驟采集語(yǔ)音信號(hào)；根據(jù)所述語(yǔ)音信號(hào)選擇假肢活動(dòng)的自由度；采集肌電信號(hào)；根據(jù)所述肌電信號(hào)及所述自由度控制假肢運(yùn)動(dòng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的假肢控制方法，其特征在于，還包括根據(jù)所述語(yǔ)音信號(hào)確定 在所述自由度上的運(yùn)動(dòng)方向或根據(jù)所述肌電信號(hào)確定在所述自由度上的運(yùn)動(dòng)方向的步驟。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的假肢控制方法，其特征在于，所述采集語(yǔ)音信號(hào)的步驟為通 過(guò)聽診式語(yǔ)音傳感器采集耳語(yǔ)語(yǔ)音獲得所述語(yǔ)音信號(hào)。
全文摘要
一種假肢控制系統(tǒng)，包括語(yǔ)音信號(hào)模塊、肌電信號(hào)模塊、控制模塊及驅(qū)動(dòng)假肢運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)模塊，所述語(yǔ)音信號(hào)模塊采集語(yǔ)音信號(hào)并將所述語(yǔ)音信號(hào)發(fā)送至所述控制模塊，所述控制模塊根據(jù)所述語(yǔ)音信號(hào)選擇假肢活動(dòng)的自由度；所述肌電信號(hào)模塊采集肌電信號(hào)并將所述肌電信號(hào)發(fā)送至所述控制模塊，所述控制模塊根據(jù)所述肌電信號(hào)及所述自由度控制所述驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)假肢運(yùn)動(dòng)。此外，還提供了一種假肢控制方法。上述假肢控制方法及系統(tǒng)通過(guò)語(yǔ)音控制選擇自由度，降低了對(duì)肌電信號(hào)的依賴，提高了假肢使用的便利性。
文檔編號(hào)A61F2/72GK101987047SQ200910109090
公開日2011年3月23日 申請(qǐng)日期2009年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月3日
發(fā)明者劉欣, 周睿, 李光林 申請(qǐng)人:深圳先進(jìn)技術(shù)研究院