本實用新型屬于生物醫(yī)學(xué)信息處理領(lǐng)域，尤其涉及一種基于表面肌電信號的游戲控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

傳感器技術(shù)和信號處理技術(shù)的發(fā)展使得便攜式計算機設(shè)備直接感知肌肉活動成為可能。多種類的人體生理信號識別結(jié)果可轉(zhuǎn)換為多自由度控制指令，在康復(fù)醫(yī)學(xué)中為病患提供一種操作輔助設(shè)備的方法，在人機交互中用戶可以根據(jù)情境自由選擇合適的動作種類表達自身意圖并與外界環(huán)境進行信息交換，在普適計算中可以智能感知用戶無意識的動作，判斷用戶需求并提供人性化的服務(wù)。這其中重要的應(yīng)用方向之一是表面肌電識別。

基于表面肌電信號的人體動作識別與交互可實現(xiàn)穿戴式電生理系統(tǒng)，突破傳統(tǒng)的基于鍵盤和鼠標(biāo)的人機交互的局限性，探索新穎的人與環(huán)境的信息傳遞方式。人體動作識別是指計算機自動檢測、分析和理解人體各類運動和行為，判斷人的意圖并提供相應(yīng)服務(wù)的過程。具體應(yīng)用包括：多模態(tài)人機交互，使得用戶以自然便利的方式操作計算機；通過體感游戲直接獲取人體動作數(shù)據(jù)用于游戲控制等。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的主要目的在于提供一種基于表面肌電信號的游戲控制系統(tǒng)，通過人體的動作能夠直接控制游戲，在玩游戲時，給人帶來更直觀的感受。

為達到以上目的，本實用新型采用的技術(shù)方案為：一種基于表面肌電信號的游戲控制系統(tǒng)，其特征在于，包括固定在人體上的肌電采集盒、與肌電采集盒信號連接的表面電極、與肌電采集盒信號連接的信號接收設(shè)備以及與信號接收設(shè)備信號連接的計算機，所述表面電極貼在身體皮膚表面并能夠根據(jù)其所在位置附近肌肉的運動生成肌電信號，所述計算機能夠?qū)‰娦盘栠M行分析，并且根據(jù)分析的結(jié)果控制安裝在計算機內(nèi)的游戲。

優(yōu)選地，所述肌電采集盒內(nèi)設(shè)置有與表面電極信號連接的微處理器和與微處理器信號連接的通訊模塊，所述信號接收設(shè)備也設(shè)置有通訊模塊，所述肌電采集盒與信號接收設(shè)備通過各自的通訊模塊實現(xiàn)信號連接。

優(yōu)選地，所述通訊模塊均為無線通訊模塊。

優(yōu)選地，所述肌電采集盒內(nèi)還設(shè)置有三軸加速度傳感器，所述三軸加速度傳感器與微處理器信號連接。

優(yōu)選地，所述計算機對接收的肌電信號通過自回歸模型進行特征提取。

優(yōu)選地，所述計算機對提取的特征通過支持向量機分類算法進行分類。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有以下有益效果：

該控制系統(tǒng)通過手臂等身體部位來控制安裝于計算機內(nèi)的游戲，具有可玩性高，能夠使用戶得到更親身的體驗。

附圖說明

圖1是根據(jù)本實用新型的一個優(yōu)選實施例的肌電采集盒的安裝圖

圖2是根據(jù)本實用新型的一個優(yōu)選實施例的原理圖

圖3是根據(jù)本實用新型的一個優(yōu)選實施例的計算機對采集到的信號處理的流程圖

圖4是根據(jù)本實用新型的一個優(yōu)選實施例的陷波濾波器的電路圖

具體實施方式

以下描述用于揭露本實用新型以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)本實用新型。以下描述中的優(yōu)選實施例只作為舉例，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到其他顯而易見的變型。

如圖1和圖2所示的一種基于表面肌電信號的游戲控制系統(tǒng)，包括固定在手臂上的肌電采集盒1、與肌電采集盒1信號連接的信號采集設(shè)備2、與肌電采集盒1信號連接的信號接收設(shè)備3以及與信號接收設(shè)備3信號連接的計算機4，所述信號采集設(shè)備2為貼在手臂皮膚表面的表面電極，所述表面電極能夠根據(jù)其所在位置附近肌肉的運動生成肌電信號。在所述計算機4內(nèi)設(shè)置有肌電信號分析模塊用以對肌電信號進行分析，并且根據(jù)分析的結(jié)果控制安裝在計算機4內(nèi)的游戲。

所述肌電采集盒1內(nèi)設(shè)置有差分放大電路11、A/D轉(zhuǎn)換模塊12、微處理器16以及通訊模塊13，所述差分放大電路11與表面電極信號連接用以對表面電極采集的肌電信號進行放大，所述A/D轉(zhuǎn)換模塊12與差分放大電路11的輸出端連接用以將電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，所述A/D轉(zhuǎn)換模塊12的輸出端與微處理器16信號連接，所述微處理器16與通訊模塊13信號連接，所述微處理器16在接收到A/D轉(zhuǎn)換模塊12發(fā)來的肌電信號之后能夠控制通訊模塊13發(fā)出肌電信號。其中，差分放大電路11、A/D轉(zhuǎn)換模塊12、微處理器16以及通訊模塊13可以采用現(xiàn)有技術(shù)。

具體地，所述差分放大電路11包括前置級放大電路、與前置級放大電路的輸出端連接的陷波濾波器以及兩個反相放大器，所述前置級放大電路的放大倍數(shù)為20，可以采用型號為AD8422的兩級運算放大器。所述陷波濾波器的頻率為50Hz。所述兩個反相放大器串聯(lián)設(shè)置，兩者的放大倍數(shù)為25，反向放大器的型號為TL062，在此配置下，差分放大電路11的總的放大倍數(shù)為500，放大后輸出的電壓范圍為-2.5V～+2.5V。

所述肌電采集盒1內(nèi)還設(shè)置有與A/D轉(zhuǎn)換模塊12的輸入端相連的三軸加速度傳感器14用于測量手臂在控制貪吃蛇運動中相對慣性空間轉(zhuǎn)角信號信號，通過慣性空間轉(zhuǎn)角信號能夠確定手臂的指向。所述三軸加速度傳感器14檢測到的相對慣性空間轉(zhuǎn)角信號和表面電極檢測到的肌電信號一起作為動作特通過通訊模塊13發(fā)送到信號接收設(shè)備3。

所述信號接收設(shè)備3包括通訊模塊31和與通訊模塊31的輸出端信號連接的接口轉(zhuǎn)換模塊32，所述通訊模塊31與通信模塊12信號連接，所述通訊模塊31將接收到的肌電信號和加速度通過接口轉(zhuǎn)換模塊32發(fā)送到計算機。所述接口轉(zhuǎn)換模塊32具體為USB轉(zhuǎn)串口芯片CH340G。

所述通訊模塊12和31采用無線網(wǎng)絡(luò)進行通訊，具體均采用型號為CC1110的無線收發(fā)芯片。

進一步，在所述肌電采集盒1內(nèi)且在所述差分放大電路11和A/D轉(zhuǎn)換模塊12之間設(shè)置有帶通濾波電路15用以濾除肌電信號中的噪音，所述帶通濾波電路15的輸入端連接差分放大電路11的輸出端，所述帶通濾波電路15的輸出端連接A/D轉(zhuǎn)換模塊12的輸入端。

所述肌電采集盒1內(nèi)還設(shè)置有電池，所述電池用以為肌電采集盒1內(nèi)的電路供電。

所述計算機內(nèi)安裝有分析軟件用以對從信號接收設(shè)備3接收的肌電信號和慣性空間轉(zhuǎn)角信號進行處理，包括動作特征提取和動作特征分類。

所述動作特征為用于控制貪吃蛇游戲的動作，包括向上、向下、向左以及向右。

所述動作特征提取采用自回歸(AR)模型對接收到的肌電信號和慣性空間轉(zhuǎn)角信號分別進行處理，需要提取的動作特征為AR模型的當(dāng)前輸出，AR模型的當(dāng)前輸出是現(xiàn)在輸入和過去輸入的加權(quán)和，公式如下：

p為AR模型的階數(shù)，a_k為AR模型系數(shù)，u(n)為均值零、方差σ²的白噪聲序列。a_k作為特征值，根據(jù)經(jīng)驗，階數(shù)p優(yōu)選為6。并且，f(n)為現(xiàn)在輸入，f(n-k)為過去輸入，并且f(n)和f(n-k)在本實施例中為肌電信號或者慣性空間轉(zhuǎn)角信號，具體地，兩者為電壓值，當(dāng)前輸出為a_k，即通過計算出的AR模型系數(shù)來對貪吃蛇游戲進行控制。

所述動作特征提取的算法在MATLAB平臺下完成，利用NET Builder將MATLAB中的m函數(shù)編譯為COM組件生成動態(tài)鏈接庫供VC調(diào)用，之后根據(jù)界面提示做貪吃蛇等游戲控制動作進行訓(xùn)練。

所述動作特征分類是在動作特征提取后根據(jù)提取到的參數(shù)判斷手臂所做的動作，所述動作特征分類功能由SVM(支持向量機)算法完成。

為了使SVM算法的分類更加準(zhǔn)確，上述分析軟件還具有訓(xùn)練和學(xué)習(xí)功能。在訓(xùn)練和學(xué)習(xí)時，軟件進入訓(xùn)練和學(xué)習(xí)界面，在界面上隨機出現(xiàn)向上、向下、向左以及向右的箭頭，在出現(xiàn)箭頭時，手臂做出相應(yīng)的指向，通過不斷地訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，SVM算法不斷地得到優(yōu)化，使其分類更加的準(zhǔn)確。其中通過訓(xùn)練和學(xué)習(xí)能夠使SVM算法得到優(yōu)化是現(xiàn)有技術(shù)，不再詳述。

該控制系統(tǒng)控制游戲的過程如下：手臂動作，肌電采集盒采集表面電極和三軸加速度傳感器14發(fā)出的信號并經(jīng)過一系列電路的處理之后進入到計算機，計算機內(nèi)的分析軟件對接收到的信號進行動作特征提取和對提取的動作特征進行分類，并根據(jù)得到的分類信號控制貪吃蛇游戲。所述貪吃蛇游戲集成在上述分析軟件中，在分析軟件界面中具有貪吃蛇游戲界面。并且，在控制游戲的過程中，分析軟件會記錄來自手臂的動作信號和控制游戲需要的動作不一致的情況和總共需要的動作進而實時地計算出識別精度并在分析軟件中顯示。

并且，上述分析軟件能夠?qū)⒔邮盏降募‰娦盘柡蛻T性空間轉(zhuǎn)角信號進行存儲，并且能夠?qū)Υ鎯Φ纳鲜鲂盘栠M行讀取，同時能夠以波形的形式顯示出來。

以上顯示和描述了本實用新型的基本原理、主要特征和本實用新型的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本實用新型不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是本實用新型的原理，在不脫離本實用新型精神和范圍的前提下本實用新型還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本實用新型的范圍內(nèi)。本實用新型要求的保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等同物界定。