面向外骨骼機器人的下肢肌音信號處理系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種傳感器領(lǐng)域的技術(shù)，具體是一種面向外骨骼機器人的下肢肌 音信號處理系統(tǒng)及方法，可作為控制輸入應(yīng)用到下肢外骨骼機器人的控制中，能夠滿足外 骨骼機器人控制系統(tǒng)的便攜性、高穩(wěn)定性、實時性要求。
【背景技術(shù)】
[0002] MMG(Mechanomyography，肌音信號）是肌肉收縮產(chǎn)生肌力的過程中，肌纖維由于 分布不均勻等因素發(fā)生側(cè)向振動而表現(xiàn)為宏觀上的發(fā)出機械波的一種力學(xué)現(xiàn)象。其主要特 點有信號幅值大、平穩(wěn)性好、抗干擾能力強等。目前，國內(nèi)外在肌音信號以及肌音信號的應(yīng) 用方面的研宄取得了一些進展。Barry提出肌音信號可以用于假肢控制，并作了初期研宄嘗 試。Bertr和Diemontd等通過利用FFT和MESE對肌音信號進行分析，證實了功率譜方法可 以提取肌音信號中蘊含的肌肉動作信息。加拿大多倫多大學(xué)的Prism實驗室通過釆用MMG 信號作為肢體動作分析對象，實現(xiàn)了對腕部收縮和舒張兩類動作的高識別率：70%左右，進 一步的分析表明EMG信號中絕大部分肢體動作信息也存在于MMG信號中。目前，MMG信號 已開始應(yīng)用于肌肉功能檢測、肌肉疲勞度檢測及人體假肢控制等相關(guān)領(lǐng)域。
[0003] 近年來，外骨骼機器人的研宄是備受矚目的領(lǐng)域之一。理想的外骨骼機器人緊密 結(jié)合了人的智力和機器人的體力，能完成單獨依靠人和機器人都無法完成的任務(wù)。為了實 現(xiàn)人機緊密結(jié)合，無障礙的信息傳遞機制尤為重要。目前在外骨骼機器人控制中，對人體運 動信息的獲取與運動意圖的識別主要是采集生物電和生物力信號，其他方式如微觀的神經(jīng) 植入，宏觀的手勢或姿態(tài)等。生物電主要包括EMG(Electromyography，肌電）和腦電，其中 肌電獲取與控制的研宄已經(jīng)相當(dāng)深入。然而肌電所面臨的最大問題是須要直接與皮膚接觸 才能可靠獲取，且EMG信號極易受到外界的干擾，例如肌肉的疲勞、電極位置的改變、體溫 的波動都會使EMG信號的特征值發(fā)生變化。腦電包括自發(fā)式和誘發(fā)式，盡管誘發(fā)式腦機界 面有了長足的進步，但分辨運動意圖的能力還很難滿足實時性需要。
[0004] 經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利文獻號CN102614061A公開（公告）日 2012. 08. 01，公開了一種基于肌音信號的人體上肢功能康復(fù)訓(xùn)練實現(xiàn)方法，通過安放在肌 肉皮膚表面的壓電傳感器采集人體生理隨機肌音信號MMG，采集到的肌音信號蘊含肌肉收 縮動作信息，信號經(jīng)過預(yù)處理電路進行放大濾波，然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路進行模擬數(shù)字轉(zhuǎn) 換，再通過數(shù)據(jù)采集卡導(dǎo)入PC機并先后進行特征提取和模式識別處理，輸出代表肌肉不同 動作模式的控制信號，以控制在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中的三維人體上肢模型運動，受試者可以根 據(jù)虛擬環(huán)境中的視覺反饋實時對虛擬環(huán)境中的人體上肢模型進行不同MVC%動作模式的控 制，最終實現(xiàn)了功能康復(fù)訓(xùn)練的目的。但該技術(shù)的信號采集硬件系統(tǒng)選用的數(shù)據(jù)采集卡體 積較大不滿足外骨骼機器人控制系統(tǒng)所要求的易攜帶、微型化、低功耗的要求；其數(shù)字信號 處理和特征提取模塊及動作模式識別模塊均為基于PC機上的Matlab軟件環(huán)境工作的，這 使得其系統(tǒng)不滿足嵌入式、實時性的需要；而且，其主要通過有線的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集器和 控制器之間的電氣連接，使用不方便。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種面向外骨骼機器人的下肢肌音信 號處理系統(tǒng)及方法，具有可攜帶、微型化、低功耗的優(yōu)點，通過嵌入式數(shù)據(jù)采集電路及采用 無線通訊的方式實現(xiàn)采集系統(tǒng)和控制器之間的信息交互。
[0006] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0007] 本發(fā)明涉及一種面向外骨骼機器人的下肢肌音信號處理系統(tǒng)，包括：兩個分別用 于左、右腿的肌音信號采集子系統(tǒng)和通過無線方式與之相連的便攜式數(shù)字處理子系統(tǒng)，其 中：肌音信號采集子系統(tǒng)輸出肌音數(shù)字信號至便攜式數(shù)字處理子系統(tǒng)，數(shù)字處理子系統(tǒng)從 中提取得到人體下肢動作判別結(jié)果。
[0008] 所述的便攜式數(shù)字處理子系統(tǒng)包括：肌音信號接收電路、外骨骼通信電路、主控處 理器和數(shù)據(jù)存儲模塊，其中：主控微處理器分別與肌音信號接收電路及外骨骼通信電路相 連，主控處理器對接收到的多路肌音信號分別進行數(shù)字信號處理，識別出人體動作意圖數(shù) 據(jù)，并將其進行數(shù)字編碼后存儲在數(shù)據(jù)存儲模塊，主控處理器通過外骨骼通信電路與外骨 骼機器人控制系統(tǒng)相連，將數(shù)據(jù)存儲模塊存儲的人體下肢關(guān)節(jié)的人體動作意圖數(shù)據(jù)發(fā)送給 外骨骼機器人控制系統(tǒng)。
[0009] 所述的主控處理器包括：嵌入式主控微處理器、外圍接口、看門狗、語音報警、電源 管理電路和電池充電電路，其中：外圍接口、看門狗、語音報警分別與嵌入式主控微處理器 相連，嵌入式主控微處理器分別與肌音信號接收電路和外骨骼通信電路相通訊，電源管理 電路為所述的肌音信號接收電路、外骨骼通信電路、數(shù)據(jù)存儲模塊分別提供合適的電源，電 池充電電路為系統(tǒng)所需電池充電提供保護。
[0010] 所述的肌音信號采集子系統(tǒng)包括：多個肌音信號采集模塊、A/D轉(zhuǎn)換電路、微控制 單元和肌音信號發(fā)送電路，其中：肌音信號采集模塊與微控制單元分別佩帶在人體下肢并 采集人體左、右下肢模擬肌音信號，A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬肌音信號轉(zhuǎn)換成肌音數(shù)字信號送入 微控制單元，微控制單元將肌音數(shù)字信號通過肌音信號發(fā)送電路傳遞至便攜式數(shù)字處理子 系統(tǒng)。
[0011] 所述的肌音信號采集模塊包括：肌音信號傳感器、放大調(diào)理電路和低通濾波電路， 其中：肌音信號傳感器放置在人體大腿的闊筋膜張肌、股內(nèi)側(cè)肌、長收肌和/或半腱肌的表 皮處以采集模擬肌音信號，放大調(diào)理電路對模擬肌音信號放大，并輸出至低通濾波電路濾 去高頻部分。
[0012] 所述的肌音信號傳感器采用壓電式加速度傳感器。
[0013] 所述的放大調(diào)理電路采用具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移、非線 性度小和合適的頻帶范圍的集成單電源儀表放大器。
[0014] 所述的低通濾波電路采用有源低通濾波器，其3db的頻率為100Hz，200Hz的衰減 大于25db。
[0015] 所述的A/D轉(zhuǎn)換電路包括：多選一模擬開關(guān)電路和A/D轉(zhuǎn)換器，其中：多選一模擬 開關(guān)電路的輸入端和輸出端分別與多個肌音信號采集模塊及A/D轉(zhuǎn)換器相連，所述的肌音 信號采集模塊輸出的模擬肌音信號經(jīng)過多選一模擬開關(guān)電路選通后送入A/D轉(zhuǎn)換器進行 模數(shù)轉(zhuǎn)換。
[0016] 所述的微控制單元包括：微處理器、外圍SPI接口電路、串行通信UART、看門狗電 路、電源管理電路和可充電電源，其中：外圍SPI接口電路、串行通信UART、看門狗電路分別 與微處理器相連，電源管理電路與可充電電源相連，并為所述的微處理器、肌音信號采集模 塊、A/D轉(zhuǎn)換電路、肌音信號發(fā)送電路分別提供相匹配的電源，微處理器與A/D轉(zhuǎn)換電路相 連傳輸經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換、算術(shù)平均值濾波處理的肌音信號信息。
[0017] 所述的肌音信號發(fā)送電路和肌音信號接收電路均包括：數(shù)字無線處理電路、數(shù)控 振蕩電路、射頻收發(fā)開關(guān)切換電路、藍牙收發(fā)器和基帶信號處理器，其中：數(shù)控振蕩電路和 射頻收發(fā)開關(guān)切換電路與數(shù)字無線處理電路相連，藍牙收發(fā)器與基帶信號處理器相通訊， 基帶信號處理器與數(shù)字無線處理電路相連，此外，肌音信號發(fā)送電路和肌音信號接收電路 中的基帶信號處理器與各自對應(yīng)的微控制單元或主控處理器相連。
[0018] 所述的外骨骼通信電路包括：分別與主控處理器相連的無線通信電路和CAN總線 通信接口電路。
[0019] 所述的無線通信電路包括：數(shù)字無線處理電路、數(shù)控振蕩電路、射頻收發(fā)開關(guān)切換 電路、藍牙收發(fā)器和基帶信號處理器，其中：數(shù)控振蕩電路和射頻收發(fā)開關(guān)切換電路與數(shù)字 無線處理電路相連，藍牙收發(fā)器與基帶信號處理器相通訊，基帶信號處理器與數(shù)字無線處 理電路相連，基帶信號處理器與主控處理器相連，
[0020] 所述的CAN總線通信接口電路包括：CAN控制器和CAN總線收發(fā)器。
[0021] 所述的CAN控制器包括：CAN總線通信接口電路、串口收發(fā)器、CAN總線光電隔離電 路，其中：串口收發(fā)器、CAN總線光電隔離電路分別與CAN總線通信接口