本發(fā)明一種新型仿生假肢運動領(lǐng)域，尤其是一種能夠上下肢運動仿真處理方法。

背景技術(shù)：

假肢作為截肢者的必需品，在全球眾多肢體殘疾的患者中，僅有少數(shù)人能負擔得起佩戴假肢?，F(xiàn)在市場上的假肢大部分是裝飾性假肢，外觀設(shè)計跟真實手臂一樣，但沒有任何功能；部分假肢開始嘗試通過生物電流信號來控制其運動，商業(yè)化后價格昂貴，且手勢單一，一般家庭難以承受。

在高端截肢設(shè)備中，還沒有利用手機作為算法運算器去控制上下肢運動的裝置，僅僅是基于單片機等芯片開發(fā)的控制系統(tǒng)，其芯片運算能力有限，對肌電信號的分析精度低、實時性很差，且不具有通用性，發(fā)開成本高，從而導致運動假肢價格昂貴，不適用廣泛的市場推廣。

除此之外，通過肌電或者腦電控制的仿生手/臂/腳/腿，存在著成本高，算法不穩(wěn)定，運算時間長。目前市場上的通過肌電的解決方案，一般直接對單一肌肉表面信號進行信號幅度采集，用于作為肌肉觸發(fā)指定運動的指令?，F(xiàn)存的方法會受到周圍電磁信號，本身人體運動低頻信號，電機帶入噪聲，其他肌肉族群信號，深部肌肉信號及白噪聲的影響。導致運動指令不明確和主觀意識運動不可按質(zhì)按量的完成。目前實驗室的解決方案，為了避免上述的信號干擾，使得信號更加完整和精確，大量的運行后臺算法，例如小波分析，而這樣大量的運算對處理器的速度和能力要求很高，配置在現(xiàn)有的可穿戴假手/臂/腳/腿中雖然單一信號處理精度提高了，但成本大大提高，運算穩(wěn)定性反而降低，僅適用于實驗室科研，不適用廣泛的市場推廣。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種能夠上下肢運動仿真處理方法。

技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的一種上下肢運動仿真處理方法，所述方法包括以下步驟：

步驟1)選取完成特定動作的相關(guān)肌肉或肌肉群；

步驟2)利用表面電極提取表面肌肉信號，信號的采樣頻率需要大于1000hz，消除采樣中nan信號值；

步驟3)：對信號做初步處理，消除采樣中空的信號值，在對信號進行濾波，消除白噪聲、環(huán)境電磁信號、自身肢體運動產(chǎn)生的低頻信號；

步驟4)：頻域譜分析，濾波，轉(zhuǎn)換回時域一維信號，正常肌肉電信號范圍8-500hz；

步驟5)：擬合單一肌肉在指定運動動作中收縮強度變化曲線，肌肉反應時間，收縮時間，衰減時間；

步驟6)：兩組或者多組肌肉在同一指定動作中的以上4個參數(shù)的相關(guān)性分析和曲線擬；

步驟7)：仿真建模對指定動作的各個肌肉群的肌電信號及相關(guān)時間和強度關(guān)系；

步驟8)：存儲和發(fā)送信號給外接控制器；

步驟9)：假手/臂/腳/腿完成肌肉輸出信號的指定動作。

進一步地，所述運動模式包括握拳、展開、表揚、ok、v型手勢。

所述步驟3)中具體步驟為：過表面電極在皮膚表面提取的肌肉信號內(nèi)參雜著大量的外界環(huán)境和自身運動產(chǎn)生的低頻信號，對提取的表面肌肉電信號進行頻譜分析，將時域一維數(shù)字信號轉(zhuǎn)換到其頻域，從而獲得各個信號源產(chǎn)生的信號的頻譜信息，在頻譜0hz-500hz的頻域信號里，通過低通和帶通濾波器，消除環(huán)境噪聲(50hz信號)，運動低頻信號(小于2hz信號)，深層肌肉產(chǎn)生的干擾信號，使得最終用于仿真輸出的信號頻譜落于8hz-500hz之間，并將其轉(zhuǎn)換回時域信號空間。

進一步地，所述步驟6)中，每一個指定動作的完成都是通過一組或者多組肌肉群共同作用完成的，在完成特定的指定動作中，肌肉群的每個肌肉的開始反應時間，收縮時間，和衰減時間有著特定的變化和表征，通過提取這些相關(guān)的參數(shù)，反應時間，收縮時間和衰減時間，并通過曲線擬合及信號相關(guān)性算法，獲得肌肉信號的相關(guān)性和擬合曲線，為下一步的仿真建模提供輸入?yún)?shù)。

進一步地，所述步驟7)仿真建模流程如下：

肌肉表面電信號由多個肌肉運動單元組產(chǎn)生的電脈沖組成，運動單元組產(chǎn)生的電脈沖由每個單元組中的無數(shù)單一肌肉纖維電脈沖組成，其中，

7.1)運動單元組產(chǎn)生的電脈沖vmui，

其中，vmui可以由公式2推導得出；i＝1～n，vmuti是各個單一運動單元組產(chǎn)生的電脈沖數(shù)，fri是運動單元釋放率，并且遵循泊松分布；

7.2)單一運動單元組產(chǎn)生的電脈沖vmu，

其中，是基于一個給定運動單元中的單一肌肉纖維電脈沖；nf是肌肉纖維數(shù)；

7.3)每一個運動單元組的肌肉收縮時間，

其中，n＝1，2，...，nmu；nmu是基于給定肌肉包含的運動單元的數(shù)量；fr是運動單元釋放率中值，默認值為fr＝85ms；

7.4)單一肌肉纖維電脈沖v(x，y，z)，

其中，肌肉纖維細胞間電脈沖ei(z)；

7.5)肌肉纖維細胞間電脈沖ei(z)，

ei(z)＝96z³e^-z-90(5)

其中ei(z)是肌肉纖維細胞間電脈沖；z是軸向方向距離，單位毫米；s是纖維截面；σi是細胞間傳導率；σm是肌肉傳導率；r是纖維截面到觀察點的距離；

7.6)肌肉傳導率σm，肌肉軸向傳導率σz和肌肉徑向傳導率σy

7.7)根據(jù)格林定律，單一肌肉纖維電脈沖可以推導如公式(7)，

其中，s1，s2是肌肉纖維兩端的截面，s是肌肉纖維截面；

其中，d是纖維直徑，h1沒有含義，只是公式的簡化，提取出來的系數(shù)。

有益效果：本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)而言具有以下優(yōu)點：

本發(fā)明提供上下肢運動仿真處理方法，表面肌肉電信號提取和采集的精度提高了；環(huán)境信號，外周干擾信號，其它非參與肌肉信號被干凈排除；結(jié)合相對肌肉組信號對運動行為的發(fā)出明確的強度和時間的指令；用肌電信號直接控制，識別率高，實時性好，反應靈敏，成本低，方便實用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明特定動作的相關(guān)肌肉或肌肉群選取示意圖。

圖2是表面肌肉電信號原始采集信號示意圖。

圖3是經(jīng)過處理的表面肌肉信號示意圖。

圖4是經(jīng)過處理的表面肌肉信號譜分析示意圖。

圖5是對指定動作肌信號收縮時間，單一肌肉反應時間及兩側(cè)肌肉強度基于手掌屈伸變化的變化曲線。

圖6是對指定動作肌信號收縮時間，反應時間及兩側(cè)肌肉強度基于手掌屈伸變化的變化曲線。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。

如圖1所示，一種上下肢運動仿真處理方法，所述方法包括以下步驟：

步驟1)選取完成特定動作的相關(guān)肌肉或肌肉群；如圖1所示，完成手掌屈伸的動作，對于安裝假手并只有小部分殘留上臂的使用者，腕部的肌肉群不可以選擇，小臂尺側(cè)腕伸肌和橈側(cè)腕屈肌作為完成指定動作的肌肉群。

步驟2)利用表面電極提取表面肌肉信號，信號的采樣頻率需要大于1000hz，消除采樣中nan信號值；如圖2所示，是原始信號曲線，此步驟只是去除了采樣信號中的無效信號，此信號是提取自兩組不同肌肉群的原始的肌肉信號，基于表面肌肉信號的頻率一般在8hz-500hz之間，這里采用大于1000hz的采樣頻率，對模擬信號進行采樣，并消除nan無效信號，生成如圖2所示的原始數(shù)字肌肉信號。

步驟3)：對信號做初步處理，消除采樣中空的信號值，在對信號進行濾波，消除白噪聲、環(huán)境電磁信號、自身肢體運動產(chǎn)生的低頻信號；過表面電極在皮膚表面提取的肌肉信號內(nèi)參雜著大量的外界環(huán)境和自身運動產(chǎn)生的低頻信號，對提取的表面肌肉電信號進行頻譜分析，將時域一維數(shù)字信號轉(zhuǎn)換到其頻域，從而獲得各個信號源產(chǎn)生的信號的頻譜信息，在頻譜0hz-500hz的頻域信號里，通過低通和帶通濾波器，消除環(huán)境噪聲(50hz信號)，運動低頻信號(小于2hz信號)，深層肌肉產(chǎn)生的干擾信號，使得最終用于仿真輸出的信號頻譜落于8hz-500hz之間，并將其轉(zhuǎn)換回時域信號空間。

步驟4)：頻域譜分析，濾波，轉(zhuǎn)換回時域一維信號，正常肌肉電信號范圍8-500hz；如圖4所示，經(jīng)過處理的表面肌肉信號譜分析(雙通道/雙肌肉群)即通過功率譜密度(powerspectraldensity，psd)來分析信號的能量隨著頻率的分布情況。

圖4展示的是完成手掌伸展和握和這一指定動作的兩組肌肉群產(chǎn)生的表面肌肉信號的頻譜信息，這里通過采用低通和帶通濾波器消除了肢體自身運動產(chǎn)生的低頻信號和外界電磁噪聲的50hz信號，可以通過圖4的頻域能譜看到，這兩組肌肉群的表面肌肉信號運動頻率主要集中在8hz-100hz之間。并且可以清楚的看到肌肉群2的高頻信號明顯高于肌肉群1的高頻信號，從側(cè)面說明肌肉群2對控制肌肉的姿勢起到主要貢獻，肌肉群1對運動開始和肌肉強度起到主要貢獻。

步驟5)：擬合單一肌肉在指定運動動作中收縮強度變化曲線，肌肉反應時間，收縮時間，衰減時間；如圖3和5所示，圖3表示，在完成手掌伸展和握和這一指定動作時兩組肌肉群產(chǎn)生的表面肌肉信號，經(jīng)過頻域分析，濾波，除噪等一系列信號處理算法后，轉(zhuǎn)換回時域空間的信號表征。這里可以看到肌肉的反應時間，收縮時間，收縮強度，和衰減時間，并且可以看到在同一時間點兩組不同的肌肉群肌肉作業(yè)時間和強度的區(qū)分。圖5表示，對兩組肌肉信號運動的表征參數(shù)進行分析，這里反應時間，收縮時間，收縮強度，和衰減時間都在同一個時間軸進行標注。

步驟6)：兩組或者多組肌肉在同一指定動作中的以上4個參數(shù)的相關(guān)性分析和曲線擬；如圖6所示；圖6表示兩組肌肉信號運動的表征參數(shù)的相關(guān)性，對兩組肌肉群完成同一指定動作的反應時間，收縮時間，收縮強度，和衰減時間進行相關(guān)性分析及曲線擬合，肌肉運動的起始和衰減的時間偏差，強度和峰值偏差進行相關(guān)性運算，從而進行仿真建模，提供輸出信號。每一個指定動作的完成都是通過一組或者多組肌肉群共同作用完成的，在完成特定的指定動作中，肌肉群的每個肌肉的開始反應時間，收縮時間，和衰減時間有著特定的變化和表征，通過提取這些相關(guān)的參數(shù)，反應時間，收縮時間和衰減時間，并通過曲線擬合及信號相關(guān)性算法，獲得肌肉信號的相關(guān)性和擬合曲線，為下一步的仿真建模提供輸入?yún)?shù)。

步驟7)：仿真建模對指定動作的各個肌肉群的肌電信號及相關(guān)時間和強度關(guān)系；如圖6所示。仿真建模流程如下：

肌肉表面電信號由多個肌肉運動單元組產(chǎn)生的電脈沖組成，運動單元組產(chǎn)生的電脈沖由每個單元組中的無數(shù)單一肌肉纖維電脈沖組成，其中，

7.1)運動單元組產(chǎn)生的電脈沖vmui，

其中，vmui可以由公式2推導得出；fri是運動單元釋放率，并且遵循泊松分布

7.2)單一運動單元組產(chǎn)生的電脈沖vmu，

其中，是基于一個給定運動單元中的單一肌肉纖維電脈沖；nf是肌肉纖維數(shù)；

7.3)每一個運動單元組的肌肉收縮時間，

其中，n＝1，2，...，nmu；nmu是基于給定肌肉包含的運動單元的數(shù)量；fr是運動單元釋放率中值，默認值為fr＝85ms；

7.4)單一肌肉纖維電脈沖v(x，y，z)，

其中，肌肉纖維細胞間電脈沖ei(z)；

7.5)肌肉纖維細胞間電脈沖ei(z)，

ei(z)＝96z³e^-z-90(5)

其中ei(z)是肌肉纖維細胞間電脈沖；z是軸向方向距離，單位毫米；s是纖維截面；σi是細胞間傳導率；σm是肌肉傳導率；r是纖維截面到觀察點的距離；

7.6)肌肉傳導率σm，肌肉軸向傳導率σz和肌肉徑向傳導率σy

7.7)根據(jù)格林定律，單一肌肉纖維電脈沖可以推導如公式(7)，

其中，s1，s2是肌肉纖維兩端的截面，s是肌肉纖維截面；

其中，d是纖維直徑。

步驟8)：存儲和發(fā)送信號給外接控制器；

步驟9)：假手/臂/腳/腿完成肌肉輸出信號的指定動作。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。