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基于MYO臂環(huán)的假肢手控制系統(tǒng)及其控制方法與流程

文檔序號(hào):12685719閱讀:來(lái)源:國(guó)知局

技術(shù)特征:

1.一種基于MYO臂環(huán)的假肢手控制系統(tǒng),其特征在于,包括:信號(hào)采集模塊(1),STM32模塊(2),模糊控制器模塊(3),假肢手模塊(4),抓握力反饋模塊(5)及配合離線訓(xùn)練的PC機(jī);

所述信號(hào)采集模塊(1),包括用于采集sEMG數(shù)據(jù),佩戴在患者殘臂偏上處的MYO臂環(huán)(11)和用于采集正常人手抓握力值數(shù)據(jù)的六維力傳感器(12);

所述STM32模塊(2),用于讀取、處理sEMG數(shù)據(jù);

所述模糊控制器模塊(3),用于接收STM32模塊(2)發(fā)送的信號(hào),發(fā)送指令驅(qū)動(dòng)假肢手抓握;

所述假肢手模塊(4),由假肢手本體、驅(qū)動(dòng)手指運(yùn)動(dòng)的電機(jī)及安裝在假肢手手指指肚上的FSR力傳感器貼片組成;

所述抓握力反饋模塊(5),佩戴在患者的殘臂上,由振動(dòng)觸覺(jué)傳感器構(gòu)成,接收FSR力傳感器的抓握力值信號(hào),然后將其反饋給患者殘臂,便于患者感知抓握力大小。

2.如權(quán)利要求1所述的基于MYO臂環(huán)的假肢手控制系統(tǒng),其特征在于,通過(guò)MYO臂環(huán)(11)的藍(lán)牙接口讀取采集手臂的sEMG數(shù)據(jù);

通過(guò)PC機(jī)讀取六維力傳感器(12)采集正常人手的抓握力值數(shù)據(jù);其中,根據(jù)待識(shí)別的8個(gè)抓握力檔次數(shù)選擇通道個(gè)數(shù);為兼顧識(shí)別率和實(shí)時(shí)性,滿足日常抓握需要或者通道個(gè)數(shù)M取3,3個(gè)通道可準(zhǔn)確識(shí)別8個(gè)抓握力檔次。

3.一種基于MYO臂環(huán)的假肢手控制系統(tǒng)的控制方法,其特征在于,包括:步驟A離線訓(xùn)練,步驟B在線識(shí)別和抓握力預(yù)測(cè),步驟C抓握力反饋。

4.如權(quán)利要求3所述的基于MYO臂環(huán)的假肢手控制系統(tǒng)的控制方法,其特征在于,所述步驟A離線訓(xùn)練,包括:A1模式分類訓(xùn)練和A2sEMG-力回歸模型訓(xùn)練;

所述A1模式分類訓(xùn)練,包括:

A11將抓握力劃分為不同的檔次,根據(jù)各檔次的抓握力值采集正常人對(duì)應(yīng)的sEMG數(shù)據(jù),通過(guò)六維力傳感器(12)采集正常人手抓握力值數(shù)據(jù);

A12提取時(shí)域特征值:絕對(duì)平均值MAV、均方根值RMS、標(biāo)準(zhǔn)差SD和波形長(zhǎng)度WL;

A13時(shí)域特征值矩陣經(jīng)PCA降維后,利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模式分類訓(xùn)練,并保存訓(xùn)練后的權(quán)值和閾值;

所述A2sEMG-力回歸模型訓(xùn)練,包括:

A21通過(guò)降維后的時(shí)域特征值矩陣與抓握力值數(shù)據(jù)一起構(gòu)建訓(xùn)練樣本;

A22分別訓(xùn)練各抓握力值檔次的sEMG-力回歸模型;

A23保存訓(xùn)練的各模型的參數(shù)。

5.如權(quán)利要求3所述的基于MYO臂環(huán)的假肢手控制系統(tǒng)的控制方法,其特征在于,所述步驟B在線識(shí)別和抓握力預(yù)測(cè),包括:

B1通過(guò)MYO臂環(huán)(11),實(shí)時(shí)采集患者手臂肌肉的sEMG信號(hào);

B2通過(guò)STM32模塊(2)讀取sEMG數(shù)據(jù),判斷手部動(dòng)作起止點(diǎn),提取其時(shí)域特征值并進(jìn)行PCA降維處理;

B3根據(jù)步驟A1模式分類訓(xùn)練的結(jié)果識(shí)別出其對(duì)應(yīng)的抓握力檔次;

B4根據(jù)步驟A2sEMG-力回歸模型訓(xùn)練的結(jié)果預(yù)測(cè)手的抓握力值,將該抓握力值作為抓握力控制的給定信號(hào);

B5通過(guò)模糊控制器模塊(3)控制手指驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向,將假肢手的抓握力控制到給定的檔次。

6.如權(quán)利要求3所述的基于MYO臂環(huán)的假肢手控制系統(tǒng)的控制方法,其特征在于,所述步驟C抓握力反饋,包括:通過(guò)振動(dòng)觸覺(jué)傳感器的不同頻率和幅值作為抓握力反饋信號(hào),使截肢患者能夠獲取實(shí)際抓握力的檔次值。

7.如權(quán)利要求4所述的基于MYO臂環(huán)的假肢手控制系統(tǒng)的控制方法,其特征在于,所述步驟A離線訓(xùn)練,通過(guò)PC機(jī)完成并存儲(chǔ)離線訓(xùn)練過(guò)程和訓(xùn)練數(shù)據(jù)及訓(xùn)練結(jié)果,再將訓(xùn)練所得的參數(shù)下載至STM32模塊(2)。

8.如權(quán)利要求4所述的基于MYO臂環(huán)的假肢手控制系統(tǒng)的控制方法,其特征在于,所述A12時(shí)域特征值,其各時(shí)域特征值計(jì)算方法如下:

<mrow> <msub> <mi>MAV</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>N</mi> </mfrac> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <mi>x</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

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<mrow> <msub> <mi>WL</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mrow> <mi>N</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </munderover> <mo>|</mo> <mi>x</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mi>x</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>|</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

式中x(i)為每次采樣的sEMG信號(hào)數(shù)據(jù),N為每個(gè)通道的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù),μ為N個(gè)數(shù)據(jù)的均值,k=1,…,M,M為通道個(gè)數(shù)。

9.如權(quán)利要求5所述的基于MYO臂環(huán)的假肢手控制系統(tǒng)的控制方法,其特征在于,所述步驟B在線識(shí)別和抓握力預(yù)測(cè),通過(guò)STM32模塊(2)讀取、處理sEMG信號(hào)并識(shí)別各個(gè)檔次的抓握力值;

通過(guò)模糊控制器模塊(3)控制假肢手上電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向,實(shí)現(xiàn)假肢手的抓握力動(dòng)作。

10.如權(quán)利要求5所述的基于MYO臂環(huán)的假肢手控制系統(tǒng)的控制方法,其特征在于,所述B2提取其時(shí)域特征值并經(jīng)PCA降維處理,包括以下步驟:

B21讀取MYO臂環(huán)(11)的M個(gè)通道sEMG數(shù)據(jù);

B22根據(jù)各通道sEMG信號(hào)的時(shí)域特征值MAV,確定手部動(dòng)作起止時(shí)間點(diǎn);

B23在手部動(dòng)作起止時(shí)間內(nèi)依次截取一段sEMG信號(hào)作為一維信號(hào)序列,對(duì)每個(gè)信號(hào)序列提取n個(gè)時(shí)域特征值,得到M個(gè)n維的時(shí)域特征值矩陣;

B24采用PCA降維法對(duì)時(shí)域特征值矩陣降維,得到M個(gè)k維的降維時(shí)域特征值矩陣。

11.如權(quán)利要求5所述的基于MYO臂環(huán)的假肢手控制系統(tǒng)的控制方法,其特征在于,所述B5模糊控制器模塊(3)采用在線推理的模糊控制算法,以誤差和誤差變化為輸入,驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向?yàn)檩敵觥?/p>

12.如權(quán)利要求6所述的基于MYO臂環(huán)的假肢手控制系統(tǒng)的控制方法,其特征在于,所述振動(dòng)觸覺(jué)傳感器中的電機(jī)產(chǎn)生4種振動(dòng)頻率,每種振動(dòng)頻率下有兩種不同的幅值,即組合產(chǎn)生8種不同頻率和幅值的振動(dòng)信號(hào),對(duì)應(yīng)8種抓握力檔次;

所述假肢手的實(shí)際抓握力,通過(guò)假肢手模塊(4)中安裝在假肢手手指指肚上的FSR力傳感器貼片測(cè)量的信號(hào),經(jīng)振動(dòng)觸覺(jué)傳感器將其轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)檔次的振動(dòng)信號(hào)傳送給患者殘臂,使患者獲取假肢手的實(shí)際抓握力檔次值,患者根據(jù)該值調(diào)節(jié)假肢手的抓握力,從而實(shí)現(xiàn)假肢手的準(zhǔn)確抓握。

13.如權(quán)利要求10所述的基于MYO臂環(huán)的假肢手控制系統(tǒng)的控制方法,其特征在于,所述步驟B22中,手部動(dòng)作起止時(shí)間點(diǎn)確定方法為:

計(jì)算各通道sEMG信號(hào)的絕對(duì)平均值并求和,并與事先設(shè)定的門(mén)限閾值作比較判斷動(dòng)作起止,將對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)作為動(dòng)作起止點(diǎn)。

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