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目前,为上肢截肢患者安装假肢是恢复其肢体功能的主要手段。传统的假肢大多只能起到机械支撑和美观的作用,存在着结构简单,运动不灵活,功能单一等缺点。近几十年,表面肌电信号被广泛应用于肌电假肢控制。在肌电假肢控制中,通过放置在残肢末端的表面肌电电极采集肌电信号,分析和识别肌电信号,截肢者可以操控假肢运动。然而,对于高位截肢患者而言,一方面他们的残存肌肉少,肌肉萎缩严重,可用于假肢控制的肌电信号源有限;另外一方面,对于高位截肢患者,截肢部位越多,需要恢复的手臂和手部运动功能就越多,对肌电信号源要求越高。为了操控多功能假肢,本文提出了一种基于语音与肌电信息融合的假肢控制系统。作为非肌电信号源,语音信号可以弥补肌电信号源的不足,用于假肢动作模式选择,便于多自由度假肢控制。肌电信号则用于控制假肢运动类型。使用者先通过语音选择动作模式,然后再收缩肌肉,操作假肢运动。系统中,语音信号采用喉振语音信号,利用语音识别算法对语音关键词进行分类。喉振语音信号是采集通过喉部皮肤表面传播的语音信号,具有高信噪比,低环境噪声干扰,易于识别的特点。语音与肌电信息融合控制多功能假肢可以提供有效的控制信号源,降低对肌电信号质量和通道数量要求,扩展控制自由度,两种操作信息协同工作,有利于提高系统稳定性,对于高位截肢患者是一种理想的假肢控制方案。 在本文中,设计了两种语音与肌电信息融合控制方案。在方案一中,设定了“手”、“腕”、“臂”三个关键字,用于选择假肢动作模式(即假肢关节);选定了关节后,利用两块肌肉(一对拮抗肌)的收缩控制不同的动作类型。在方案二中,设定了“手开”、“手合”、“腕内”、“腕外”、“肘伸”、“肘屈”六个关键词,用于选择假肢动作模式;选定动作后,利用一块肌肉的收缩控制假肢。 语音与肌电信息融合的多功能假肢控制系统是基于嵌入式系统开发的。硬件系统由MCU主控制模块、肌电模拟前端采集模块、电机驱动模块、语音识别模块组成。语音识别算法采用基于孤立词汇识别的动态时间规整算法。肌电识别采用最近邻算法。在对语音和肌电识别准确率的测试中,无论健全者还是截肢者的语音识别准确率都达到了95%以上,肌电识别准确率达到了100%。结果表明,语音和肌电信息融合可以有效发出操作指令,实现多自由度假肢操控。 实验中,设计了由一系列假肢操作组成的“倒水”任务对两种方案性能进行评价。实验结果表明:1无论是健全者还是截肢者,都可以有效使用语音与肌电信息融合的假肢控制方式操控假肢;2截肢者使用假肢完成“倒水”任务的时间略微长于健全者,但是没有显著差异;3整体而言,测试者利用方案二控制假肢完成“倒水”任务的时间略短于方案一。方案一只要求语音系统识别三个关键字,而方案二要求识别六个关键词;方案一需要采集两块肌肉肌电信号,而方案二只需要一块肌肉肌电信号。因此,方案一适合于肌肉条件较好,肌电信号质量较好的使用者;方案二适合于肌电信号质量不高的使用者,但是对语音识别要求较高。在对比实验中,语音与肌电信息融合的假肢控制方式在完成任务的时间上略长于肌电模式识别操作假肢方式。但本文中提出的控制方式可以扩展到多个自由度,对肌电质量要求较低,更适合高位截肢者。 通过语音与肌电信息的融合,可以实现多自由度假肢控制,也可以进一步扩展假肢的功能,甚至实现手指的精细动作控制。