專利名稱：基于pc機(jī)及dsp的多自由度肌電假手訓(xùn)練及控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種假手控制的肌電信號(hào)訓(xùn)練、在線識(shí)別平臺(tái)研究及嵌入式
實(shí)現(xiàn)的裝i，屬于生物信息識(shí)別及控制相關(guān)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
肌電假手是一種重新建立人與外界環(huán)境可操作性聯(lián)系的接口 ，它通過采
集人手臂處的肌肉電信號(hào)(Electromyography, EMG)作為控制源，經(jīng)過分析處 理及模式識(shí)別，用以控制手指完成一些基本操作。這種基于生物信號(hào)控制策 略的肌電假手的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，因?yàn)槠湓俅卫昧巳松窠?jīng)肌肉電傳導(dǎo)的 特性并將其輸出至外界環(huán)境，對(duì)于殘疾人的神經(jīng)康復(fù)是相當(dāng)有益的。
然而，諸如Otto Bock SensorHand等一些商業(yè)肌電假手，由于只采用了 一至兩個(gè)自由度，因此在抓取功能性方面表現(xiàn)欠佳，像個(gè)簡(jiǎn)單的夾持器，致 使很多殘疾人患者不愿意佩戴假手。國(guó)外許多研究機(jī)構(gòu)開展了擬人大小的、 多功能假手的研究，如意大利Cyberhand、 SmartHand,英國(guó)i-limb,以及國(guó) 內(nèi)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的HIT/DLR Prosthetic Hand等。多自由 度擴(kuò)展了假手的靈巧程度，提升了其抓取功能，然而卻給控制帶來一定的難 度。由于自由度增多，如何能夠合理使用人前臂肌肉電信號(hào)所蘊(yùn)含的豐富信 息，從而分辨出人手部的一些特定動(dòng)作或姿態(tài)進(jìn)行假手的實(shí)時(shí)控制，是多自 由度肌電假手亟待解決的問題。借助于一些模式識(shí)別方法，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、 遺傳算法、自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，手部或肘部動(dòng)作的瞬態(tài)肌電信號(hào)的分類已經(jīng) 可以得到很高的識(shí)別成功率。支持向量機(jī)(Support Vector Machine, SVM) 業(yè)已被證明是高效可靠的分類工具，基于此而建立起來的肌電模式識(shí)別系統(tǒng) 具有更令人信服的理論基礎(chǔ)及高成功率。然而更多的研究只存在于實(shí)驗(yàn)室的 理論分析方面，還沒有具體的實(shí)際嵌入式應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決基于向量機(jī)建立的肌電模式識(shí)別系統(tǒng)還處于實(shí)驗(yàn)室的理論 分析階段、開發(fā)周期較長(zhǎng)、沒有實(shí)際嵌入式應(yīng)用的問題，提供一種基于PC 機(jī)及DSP的多自由度肌電假手訓(xùn)練及控制系統(tǒng)。本發(fā)明包括以下單元肌電信號(hào)電極，用于將采集的肌電信號(hào)發(fā)送到供電轉(zhuǎn)接模塊和DSP目標(biāo)
板；
供電轉(zhuǎn)接模塊，用于為肌電信號(hào)電極供電，并將來自肌電信號(hào)電極的肌 電信號(hào)發(fā)送到數(shù)據(jù)采集卡；
數(shù)據(jù)采集卡，用于采集供電轉(zhuǎn)接模塊的肌電信號(hào)，并將采集的肌電信號(hào) 通過PCI總線發(fā)送到PC機(jī)；
DSP目標(biāo)板，用于將來自肌電信號(hào)電極的肌電信號(hào)轉(zhuǎn)換成肌電數(shù)字信號(hào) 并進(jìn)行肌電模式識(shí)別，并將所述模式識(shí)別結(jié)果發(fā)送到PC機(jī)；
PC機(jī)，用于接收來自數(shù)據(jù)采集卡的肌電信號(hào)和來自DSP目標(biāo)板的模式 識(shí)別結(jié)果，并提供虛擬假手的顯示平臺(tái)；
DSP仿真器，用于建立PC機(jī)與DSP目標(biāo)板之間的連接，提供PC機(jī)與 DSP目標(biāo)板之間數(shù)據(jù)交換和DSP仿真功能；
本發(fā)明還包括以下單元-
顯示控制模塊，用于將來自數(shù)據(jù)采集卡的肌電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)繪制并顯示 輸出，接收來自SVM模式識(shí)別模塊的模式識(shí)別結(jié)果，并通過虛擬手顯示肌 電信號(hào)控制假手的狀態(tài)；
SVM訓(xùn)練模塊，用于將各模式的肌電信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練； 'SVM模式識(shí)別模塊，用于實(shí)時(shí)識(shí)別DSP目標(biāo)板采集到的肌電信號(hào)；
所述顯示控制模塊是一個(gè)運(yùn)行在PC機(jī)的操作系統(tǒng)中的Labview程序， 所述SVM訓(xùn)練模塊是一個(gè)運(yùn)行在PC機(jī)的操作系統(tǒng)中的Matlab程序，所述 SVM模式識(shí)別模塊是一個(gè)運(yùn)行在DSP內(nèi)部的基于SVM分類器的C程序。
有益效果本發(fā)明基于SVM分類器的嵌入式DSP實(shí)現(xiàn)，建立一種基于 PC機(jī)及DSP相結(jié)合的肌電假手訓(xùn)練及控制平臺(tái)，為多模式肌電信號(hào)的識(shí)別 提供一種方便快捷的評(píng)估驗(yàn)證以及嵌入式實(shí)現(xiàn)裝置，以縮短多自由假手肌電 信號(hào)控制的開發(fā)周期。


圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明基于PC機(jī)平臺(tái)的硬件 配置示意圖；圖3是本發(fā)明基于DSP平臺(tái)的硬件配置示意圖。圖3中的電源 為DSP目標(biāo)板4供電，DSP仿真器6的一端通過圖3中的USB 口與PC機(jī)5連接，DSP仿真器6的另一端通過圖3中的JTAG 口與DSP目標(biāo)板4連接， DSP目標(biāo)板4的另一端通過圖3中的串口與PC機(jī)5連接。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一參見圖1 圖3，本實(shí)施方式由以下單元組成 肌電信號(hào)電極1，用于將采集的肌電信號(hào)發(fā)送到供電轉(zhuǎn)接模塊2和DSP 目標(biāo)板4;
供電轉(zhuǎn)接模塊2，用于為肌電信號(hào)電極1供電，并將來自肌電信號(hào)電極1 的肌電信號(hào)發(fā)送到數(shù)據(jù)采集卡3;
數(shù)據(jù)采集卡3，用于采集供電轉(zhuǎn)接模塊2的肌電信號(hào)，并將采集的肌電
信號(hào)通過PCI總線發(fā)送到PC機(jī)5;
DSP目標(biāo)板4，用于對(duì)來自肌電信號(hào)電極1的肌電信號(hào)轉(zhuǎn)換成肌電數(shù)字
信號(hào)并進(jìn)行肌電模式識(shí)別，將模式識(shí)別結(jié)果發(fā)送到PC機(jī)5;PC機(jī)5，用于接收來自數(shù)據(jù)采集卡3的肌電信號(hào)和來自DSP目標(biāo)板4 的控制信號(hào)，并提供虛擬假手的顯示平臺(tái)；
DSP仿真器6，用于建立PC機(jī)5與DSP目標(biāo)板4之間的連接，提供PC 機(jī)5與DSP目標(biāo)板4之間數(shù)據(jù)交換和DSP仿真功能；
顯示控制模塊7，用于將來自數(shù)據(jù)采集卡3的肌電信號(hào)實(shí)時(shí)繪制在PC 機(jī)5的顯示窗口上，接收來自SVM模式識(shí)別模塊9的模式識(shí)別結(jié)果，并通 過虛擬顯示肌電信號(hào)控制肌電假手；
SVM訓(xùn)練模塊8，用于將各模式肌電信號(hào)數(shù)據(jù)在PC機(jī)5的Matlab環(huán)境 內(nèi)進(jìn)行訓(xùn)練；
SVM模式識(shí)別模塊9，用于實(shí)時(shí)識(shí)別DSP目標(biāo)板4采集到的肌電信號(hào)； 所述顯示控制模塊7是一個(gè)運(yùn)行在PC機(jī)5的操作系統(tǒng)中的Labview程 序，所述SVM訓(xùn)練模塊8是一個(gè)運(yùn)行在PC機(jī)5的操作系統(tǒng)中的Matlab程 序，所述SVM模式識(shí)別模塊9是一個(gè)運(yùn)行在DSP內(nèi)部的基于SVM分類器 的C程序。
本實(shí)施方式基于多自由度假手的肌電控制及嵌入式實(shí)現(xiàn)，硬件上包括PC 機(jī)5、 DSP目標(biāo)板4以及DSP信號(hào)采集系統(tǒng)和必要的通訊連接。軟件上包括 一個(gè)在PC機(jī)5上運(yùn)行的Labview程序，即顯示控制模塊7，用于對(duì)肌電信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及虛擬假手的實(shí)現(xiàn)； 一個(gè)基于DSP分類器的SVM模式識(shí)別模塊 9，其中包括參數(shù)可配置SVM的DSP內(nèi)部識(shí)別實(shí)現(xiàn)(C語言)，其由3個(gè)基 本函數(shù)(分別是核函數(shù)kernel、兩類間識(shí)別函數(shù)predict一svm和多類間識(shí)別函 數(shù)whole_predict_svm ) 以及Matlab環(huán)境下生成的兩個(gè)頭文件 (DSP28—SVM—DEF.h和DSP28—SVM—VAR.h,分別存放SVM相關(guān)的符號(hào)常 量及全局變量值)構(gòu)成； 一個(gè)DSP同Matlab環(huán)境交互并進(jìn)行訓(xùn)練數(shù)據(jù)采集 及訓(xùn)練的SVM訓(xùn)練模塊8。
基于PC機(jī)5的硬件配置有肌電信號(hào)電極1采用OttoBock公司的 13E200,數(shù)據(jù)采集卡3采用ADLINK公司的PCI-9118HR，肌電信號(hào)電極1 和數(shù)據(jù)采集卡3之間通過供電轉(zhuǎn)接模塊2連接，供電轉(zhuǎn)接模塊2的作用包括 給肌電電極1提供穩(wěn)定的5V電壓以及提供與數(shù)據(jù)采集卡3連線的接口 SCSI-II (50針)；數(shù)據(jù)采集卡3插至PC機(jī)5的PCI插槽上，與PC機(jī)5之間 通過高速PCI總線通信。
基于DSP的硬件配置有DSP目標(biāo)板4采用TI公司的TMS320F2812 DSP 為核心處理芯片的目標(biāo)板，板上提供電極穩(wěn)定5V電壓供電及電極線接口； DSP仿真器6采用合眾達(dá)XDS-510仿真器，DSP仿真器6的一端通過JTAG 口連接DSP目標(biāo)板4，另一端通過USB連接PC機(jī)5; DSP目標(biāo)板4還通過 串口同PC機(jī)5連接。
顯示控制模塊7通過在PC機(jī)5上編制Labview程序?qū)崿F(xiàn)，其功能在于 實(shí)時(shí)檢測(cè)多通道肌電信號(hào)、接收控制指令以及虛擬假手實(shí)時(shí)控制演示；數(shù)據(jù) 采集函數(shù)調(diào)用ADLINK開發(fā)的基于Labview軟件環(huán)境的插件，通過循環(huán)實(shí)現(xiàn) 連續(xù)采集，采集到的數(shù)據(jù)繪制到Labview前面板圖形顯示窗；通過觀察肌電 信號(hào)的實(shí)時(shí)采集結(jié)果，獲取信號(hào)合適的幅度以及信號(hào)之間不相關(guān)的信息，以 調(diào)整肌電電極的位置；使用Pro/E工程建模軟件進(jìn)行虛擬手的建模，采用自 上而下的設(shè)計(jì)方法，每個(gè)手指指節(jié)之間連接時(shí)要考慮組件轉(zhuǎn)配關(guān)系。具體做 法是對(duì)于遠(yuǎn)指關(guān)節(jié)DIP,中指節(jié)作為基體，指尖作為加入的零件，將指尖與 中指節(jié)連接成組件DM;在裝配近指關(guān)節(jié)時(shí)，近指節(jié)DIP作為基體，中指節(jié) 與指尖連接成的組件DM作為加入的新組件，組成新的組件DMP;然后再 將組件DMP裝配至手掌之上。將所有手指裝配完畢后，使用Pro/E軟件輸出成VRML格式文件，各零件及分組件以Inline節(jié)點(diǎn)形式出現(xiàn)在總的VRML 文件內(nèi)；使用Labview軟件集成ParallelGraphics公司的Cortona VRML Client 控件，并指向虛擬假手的VRML文件，調(diào)用控件內(nèi)置函數(shù)，以手指各關(guān)節(jié)的 龜度可以控制；顯示控制模塊7還包括一串口接收程序，用于接收SVM模 式識(shí)別模塊9傳回的識(shí)別結(jié)果。
基于DSP的SVM模式識(shí)別模塊9中的訓(xùn)練數(shù)據(jù)釆集，通過其模塊內(nèi)主 函數(shù)的一個(gè)二維數(shù)組實(shí)現(xiàn)。當(dāng)DSP目標(biāo)板4的AD采集口實(shí)時(shí)采集肌電信號(hào) 時(shí)，此二維數(shù)組存儲(chǔ)多通道肌電信號(hào)值，存儲(chǔ)完畢將產(chǎn)生中斷供SVM訓(xùn)練 模塊8提取。
建立SVM訓(xùn)練模塊8同DSP目標(biāo)板4之間的連接，通過Matlab與DSP 調(diào)試軟件CCS之間的軟件接口 Link for Code Composer Studio,將DSP目標(biāo) 板4采集到的各模式肌電信號(hào)樣本傳入PC機(jī)5的SVM訓(xùn)練模塊8中(硬件 上通過DSP仿真器6)。全部模式訓(xùn)練數(shù)據(jù)采集完畢后，在SVM訓(xùn)練模塊8 的Matlab環(huán)境下采用開源軟件libsvm2.84進(jìn)行SVM的訓(xùn)練。訓(xùn)練完畢后， 在SVM訓(xùn)練模塊8內(nèi)通過m文件函數(shù)將SVM各參數(shù)寫入到單獨(dú)的頭文件 DSP28—SVM—DEF.h和DSP28—SVM—VAR.h中，將其復(fù)制到CCS工程目錄替 換舊文件，重新編譯鏈接，供SVM模式識(shí)別模塊9調(diào)用并進(jìn)行實(shí)時(shí)肌電信 號(hào)的識(shí)別。由于頭文件內(nèi)包含新的SVM參數(shù)信息，因此可以用于實(shí)時(shí)識(shí)別 訓(xùn)練后的肌電模式。
基于DSP的SVM模式識(shí)別模塊9中的肌電信號(hào)在線識(shí)別中，用于采集 訓(xùn)練數(shù)據(jù)的二維數(shù)組不被激活。SVM模式識(shí)別模塊9主函數(shù)內(nèi)含有用于SVM 識(shí)別的函數(shù)kernel、 predict—svm、 whole_predict—svm，直接在數(shù)據(jù)采集完畢 后調(diào)用。識(shí)別完畢將識(shí)別出的模式標(biāo)號(hào)通過串口發(fā)往PC虛擬假手或者按照 協(xié)議發(fā)往假手。其中，顯示控制模塊7主要負(fù)責(zé)在訓(xùn)練之前檢測(cè)肌電信號(hào)， 以及在訓(xùn)練完畢后接收DSP目標(biāo)板4給出的控制信號(hào)(軟件通過顯示控制 SVM模式識(shí)別模塊9，硬件通過RS232串口)，實(shí)時(shí)顯示肌電控制情況，即 虛擬手指的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
權(quán)利要求
1、基于PC機(jī)及DSP的多自由度肌電假手訓(xùn)練及控制系統(tǒng)，它包括以下單元肌電信號(hào)電極(1)，用于將采集的肌電信號(hào)發(fā)送到供電轉(zhuǎn)接模塊(2)和DSP目標(biāo)板(4)；供電轉(zhuǎn)接模塊(2)，用于為肌電信號(hào)電極(1)供電，并將來自肌電信號(hào)電極(1)的肌電信號(hào)發(fā)送到數(shù)據(jù)采集卡(3)；數(shù)據(jù)采集卡(3)，用于采集供電轉(zhuǎn)接模塊(2)的肌電信號(hào)，并將采集的肌電信號(hào)通過PCI總線發(fā)送到PC機(jī)(5)；DSP目標(biāo)板(4)，用于將來自肌電信號(hào)電極(1)的肌電信號(hào)轉(zhuǎn)換成肌電數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行肌電模式識(shí)別，并將所述模式識(shí)別結(jié)果發(fā)送到PC機(jī)(5)；PC機(jī)(5)，用于接收來自數(shù)據(jù)采集卡(3)的肌電信號(hào)和來自DSP目標(biāo)板(4)的模式識(shí)別結(jié)果，并提供虛擬假手的顯示平臺(tái)；DSP仿真器(6)，用于建立PC機(jī)(5)與DSP目標(biāo)板(4)之間的連接，提供PC機(jī)(5)與DSP目標(biāo)板(4)之間數(shù)據(jù)交換和DSP仿真功能；其特征在于它還包括以下單元顯示控制模塊(7)，用于將來自數(shù)據(jù)采集卡(3)的肌電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)繪制并顯示輸出，接收來自SVM模式識(shí)別模塊(9)的模式識(shí)別結(jié)果，并通過虛擬手顯示肌電信號(hào)控制假手的狀態(tài)；SVM訓(xùn)練模塊(8)，用于將各模式的肌電信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練；SVM模式識(shí)別模塊(9)，用于實(shí)時(shí)識(shí)別DSP目標(biāo)板(4)采集到的肌電信號(hào)；所述顯示控制模塊(7)是一個(gè)運(yùn)行在PC機(jī)(5)的操作系統(tǒng)中的Labview程序，所述SVM訓(xùn)練模塊(8)是一個(gè)運(yùn)行在PC機(jī)(5)的操作系統(tǒng)中的Matlab程序，所述SVM模式識(shí)別模塊(9)是一個(gè)運(yùn)行在DSP內(nèi)部的基于SVM分類器的C程序。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PC機(jī)及DSP的多自由度肌電假手訓(xùn)練及 控制系統(tǒng)，其特征在于所述DSP內(nèi)部的SVM分類器由三個(gè)基本識(shí)別函數(shù)組成， 分別是核函數(shù)kernel、兩類間識(shí)別函數(shù)predict—svm和多類間識(shí)別函數(shù) whole_predict—svm，以及頭文件"DSP28—SVM—DEF.h"和"DSP28—SVM— VAR.h"，分別存放SVM相關(guān)的符號(hào)常量及全局變量值。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PC機(jī)及DSP的多自由度肌電假手訓(xùn)練及 控制系統(tǒng)，其特征在于SVM訓(xùn)練模塊(8)中的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，通過SVM模式識(shí)別 模塊(9)主函數(shù)內(nèi)的二維數(shù)組進(jìn)行保存，存儲(chǔ)完畢產(chǎn)生中斷供SVM訓(xùn)練模塊(8) 提取。在Matlab環(huán)境下進(jìn)行肌電信號(hào)的特征提取以及SVM訓(xùn)練，訓(xùn)練完畢后 SVM訓(xùn)練模塊(8)將SVM各項(xiàng)參數(shù)重新寫入SVM模式識(shí)別模塊(9)中，以用于 肌電模式的實(shí)時(shí)識(shí)別。
全文摘要
基于PC機(jī)及DSP的多自由度肌電假手訓(xùn)練及控制系統(tǒng)，它涉及一種假手控制的肌電信號(hào)訓(xùn)練、在線識(shí)別平臺(tái)研究及嵌入式實(shí)現(xiàn)的裝置，以解決基于向量機(jī)建立的肌電模式識(shí)別系統(tǒng)還處于實(shí)驗(yàn)室的理論分析階段、沒有實(shí)際嵌入式應(yīng)用的問題。顯示控制模塊用于將來自數(shù)據(jù)采集卡的肌電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)繪制并輸出，接收來自SVM模式識(shí)別模塊的模式識(shí)別結(jié)果，顯示肌電信號(hào)控制肌電假手的狀態(tài)；SVM訓(xùn)練模塊用于將各模式的肌電信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練；SVM模式識(shí)別模塊用于識(shí)別DSP目標(biāo)板采集的肌電信號(hào)；顯示控制模塊和SVM訓(xùn)練模塊運(yùn)行在PC機(jī)操作系統(tǒng)中。本發(fā)明建立基于PC機(jī)及DSP相結(jié)合的肌電假手訓(xùn)練及控制平臺(tái)，為多模式肌電信號(hào)的識(shí)別提供一種評(píng)估驗(yàn)證以及嵌入式實(shí)現(xiàn)裝置。
文檔編號(hào)A61F2/54GK101305940SQ20081006487
公開日2008年11月19日 申請(qǐng)日期2008年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月7日
發(fā)明者宏 劉, 力 姜, 楊大鵬, 趙京東 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)