基于语音及肌电信号的嵌入式假手控制器的研制

论文摘要

智能化、集成式、重量轻、体积小、可靠性高和操作灵活是多自由度残疾人假手的发展趋势。本文采用生物机电一体化设计思想,针对具有感知功能的多自由度假手,研制了一款基于语音及肌电信号的嵌入式假手控制器。本文首先对假手电气系统国内外研究现状作了综述,分析了多源生物信号在残疾人假手中的应用。结合模块化思想研制了多自由度假手的控制器。系统电源模块负责把电池电压转换为假手所需的各种电压;以TI公司TMS320F2812DSP为核心设计的处理器模块用于管理和决策假手整个控制系统;语音和多通道肌电信号处理模块分别用来处理语音和肌电信号,DSP根据这些信号产生相应的电机动作指令;系统通信模块则包括DSP与上位机,DSP与假手驱动系统的通信,是控制器的重要组成部分;电源管理模块跟随DSP2812实时监测系统电池组的充放电状态和剩余电量情况;感觉反馈则用振动电机和电刺激器使假手佩戴者直接感觉到与抓取力大小对应的振感或电流刺激感,从而产生“幻肢”的感觉,以提高假手操作的可靠性。此外,本文还设计了用于电路板过热保护的温度传感器电路和用于肌电信号训练及运算的片外扩展存储器电路。作为不可缺少的重要组成部分,控制器软件以实时性、可靠性和易升级性为设计原则,完成对应于各硬件模块的程序编制。对作为假手主要控制源的语音和肌电信号进行了算法分析,基于支持向量机的肌电信号分类算法详细研究了其数学原理和应用过程。整个控制器放置在手臂筒内,并通过eCAN总线和假手驱动系统通信。最后,完成嵌入式假手控制器相关实验。其中语音控制实验完成假手抓取、松开、捏住、放下四个动作的控制,而肌电控制实验中基于支持向量机算法利用6枚电极实现了人手部10种姿态的可靠分类。此外本文还进行了电源管理、感觉反馈、系统通信及温度传感器实验。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 假手电气控制系统国内外研究现状和分析
• 1.2.1 国外研究现状及其分析
• 1.2.2 国内研究现状及其分析
• 1.3 多源生物信号在仿人型假手中的应用和发展
• 1.4 课题来源及研究的目的和意义
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 假手控制器硬件设计
• 2.1 引言
• 2.2 假手系统概述
• 2.3 假手嵌入式控制器的电路设计
• 2.3.1 控制器总体方案与主处理器电路设计
• 2.3.2 系统电源模块设计
• 2.3.3 语音控制模块电路的配置
• 2.3.4 多通道肌电信号调理电路及转接电路的设计
• 2.3.5 控制器通信电路设计
• 2.3.6 温度传感器模块电路设计
• 2.4 假手控制盒的设计
• 2.5 本章小结
• 第3章 假手控制器算法分析与软件设计
• 3.1 引言
• 3.2 语音信号识别算法分析
• 3.3 肌电信号应用算法分析
• 3.3.1 肌电信号应用步骤
• 3.3.2 肌电信号分类方法的比较与选择
• 3.3.3 支持向量机技术背景与基本思想
• 3.3.4 基于支持向量机的肌电信号特征分类
• 3.4 假手控制器软件的模块化设计
• 3.4.1 主程序设计
• 3.4.2 系统定时器程序设计
• 3.4.3 基于蓝牙协议的语音模块程序的配置
• 3.4.4 肌电信号及温度传感器数据采集程序设计
• 3.4.5 控制器通信程序设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 假手电源管理和感觉反馈子系统
• 4.1 引言
• 4.2 假手的电源管理
• 4.2.1 电源管理硬件及工作流程
• 4.2.2 电源管理软件及工作流程
• 4.2.3 电源管理与上位机通信的实现
• 4.3 假手的感觉反馈
• 4.3.1 肌电假手感觉反馈机理研究
• 4.3.2 基于微小贴片型振动电机的假手感觉反馈应用
• 4.3.3 基于电刺激器的假手感觉反馈应用
• 4.4 本章小结
• 第5章 仿人型假手系统调试与控制实验
• 5.1 引言
• 5.2 实验平台及实验内容
• 5.3 电源管理实验
• 5.4 感觉反馈实验
• 5.5 系统通信实验
• 5.5.1 控制器与上位机通信实验
• 5.5.2 控制器与驱动系统通信实验
• 5.6 电路板过热保护实验
• 5.7 假手语音控制实验
• 5.8 基于虚拟现实技术的假手肌电控制实验
• 5.9 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢