基于肌電信號的多模式人機接口研究
發(fā)布時間：2020-12-08 01:16
表面肌電信號記錄了在肌肉自主收縮時由肌肉纖維產(chǎn)生的電生理活動。它作為生物/機械人機接口的一種重要輸入信號在電動假肢手控制中得到了廣泛地應用,該方法也被稱作肌電控制。肌電人機接口的主要功能是識別肌電信號的動作模式,從而為肌電控制提供準確的動作指令。為能控制多自由度靈巧假肢手,人機接口系統(tǒng)需要從肌電信號中解碼出多種手部和腕部動作所對應的肌電模式,并保證其具有足夠的分類精度。本文將側(cè)重研究肌電特征提取和分類算法。主要的工作如下:為了從肌電信號中提取高階統(tǒng)計信息,本文采用雙譜變換來分析信號,并使用雙譜積分方法和Fisher線性判別投影方法提取雙譜矩陣中的特征量。在實驗中,我們采用Davies-Bouldlin系數(shù)和各種不同分類器來分析肌電高階信息對動作分類效果的影響。實驗結(jié)果表明雙譜特征在類-類分離性和動作識別率上要好于其它一階或二階肌電特征。本文使用肌電信號的頻率信息來進行動作分類,提出一種從傅里葉系數(shù)中導出倒譜系數(shù)的特征提取方法,其計算主要采用快速傅里葉變換和離散余弦變換實現(xiàn)�；贔isher比例系數(shù)的特征選擇用來從倒譜系數(shù)中獲取具有最佳區(qū)分度的肌電特征。另外,我們還提出了一種特征層次的后...
【文章來源】：上海交通大學上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：131 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
基于肌電信號的人機接口應用Fig.1-1ApplicationsoftheEMG-basedHMI
exterous hand[15]，Cyberhand[16]，DLR-HIT hand[17] 等），但在現(xiàn)階段基于人體信號處理的控制技術發(fā)展還相對滯后，急需研究和開發(fā)出能夠滿足多自由度靈巧手控制需求的生物/機械人機接口系統(tǒng)。生物、信息、控制等領域的技術進步以SP、FPGA 等芯片強大的數(shù)據(jù)處理能力使得人們有條件開發(fā)功能先進的生物／機統(tǒng)接口。近年來，應用于多自由度假肢手控制的人機接口的研究已經(jīng)成為國外學注的一個熱點，加拿大 University of New Brunswick 大學，美國 Rehabilitastitution of Chicago 和意大利 Advanced Robotics Technology and Systems Laborary外大學和研究機構正在致力于開發(fā)新一代肌電控制假肢手及其人機接口系統(tǒng)。在的有關肌電控制多自由度假肢手的研究項目中，具有代表性的工作是由約翰霍普大學應用物理實驗室以及北美多家大學聯(lián)合開展的 DARPA（Defense Advanesearch Projects Agents）Revolutionizing Prosthetics 2009 項目。該研究計劃擬開發(fā)含有 23 個自由度的靈巧假肢手，以提供給在戰(zhàn)爭中失去手臂的人使用，其假肢制系統(tǒng)中的一個重要組成部分就是基于動作肌電信號識別的生物/機械接口�？梢�，肌電控制人機接口技術將會是新一代多自由度靈巧假肢手開發(fā)過程中的一個研究對象。
圖 1-4 傳統(tǒng)三狀態(tài)幅度調(diào)制假肢控制Fig.1-4 Three-state amplitude modulation control of prosthesis早在 20 世紀 60 年代前，研究者 Reiter、Berger 等[19]提出了一種 3 狀態(tài)包絡解調(diào)肌電控制方法。但受制于當時的電子技術水平，并沒有在臨床上用。隨著半導體技術的發(fā)展，在 19 世紀 60 年代至 70 年代，采用幅度和多狀態(tài)肌電控制器研究取得了重大的進展。在此期間，商業(yè)化肌電假肢手開始出現(xiàn)，以 Otto Bock、Hugh Steeper 為代表的公司開始提供臨床使用的。圖 1-4 簡述了幅度和速率調(diào)制控制方法的原理[19]。該控制方案將假肢能分配給一塊獨立的肌肉，在肌肉開始進行拉伸活動且肌電信號的幅度高，就啟動假肢手對應的功能自由度。這種使用肌電信號幅度調(diào)制來控制假被稱為傳統(tǒng)肌電控制，已被廣泛地應用到現(xiàn)有肌電假肢手產(chǎn)品上。但是這電控制方法很難在動作模式多于 3 個的肌電假肢手系統(tǒng)上使用，因為根據(jù)學技術還不能夠找到多塊獨立運動的前臂肌肉[20]，其操作的失誤率也是受的。傳統(tǒng)的肌電控制方法已不能滿足未來多自由度靈巧假肢手控制的要在急需要尋找性能更佳的動作肌電信號解碼技術，來解決現(xiàn)有肌電人機接
本文編號：2904197
【文章來源】：上海交通大學上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：131 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
基于肌電信號的人機接口應用Fig.1-1ApplicationsoftheEMG-basedHMI
exterous hand[15]，Cyberhand[16]，DLR-HIT hand[17] 等），但在現(xiàn)階段基于人體信號處理的控制技術發(fā)展還相對滯后，急需研究和開發(fā)出能夠滿足多自由度靈巧手控制需求的生物/機械人機接口系統(tǒng)。生物、信息、控制等領域的技術進步以SP、FPGA 等芯片強大的數(shù)據(jù)處理能力使得人們有條件開發(fā)功能先進的生物／機統(tǒng)接口。近年來，應用于多自由度假肢手控制的人機接口的研究已經(jīng)成為國外學注的一個熱點，加拿大 University of New Brunswick 大學，美國 Rehabilitastitution of Chicago 和意大利 Advanced Robotics Technology and Systems Laborary外大學和研究機構正在致力于開發(fā)新一代肌電控制假肢手及其人機接口系統(tǒng)。在的有關肌電控制多自由度假肢手的研究項目中，具有代表性的工作是由約翰霍普大學應用物理實驗室以及北美多家大學聯(lián)合開展的 DARPA（Defense Advanesearch Projects Agents）Revolutionizing Prosthetics 2009 項目。該研究計劃擬開發(fā)含有 23 個自由度的靈巧假肢手，以提供給在戰(zhàn)爭中失去手臂的人使用，其假肢制系統(tǒng)中的一個重要組成部分就是基于動作肌電信號識別的生物/機械接口�？梢�，肌電控制人機接口技術將會是新一代多自由度靈巧假肢手開發(fā)過程中的一個研究對象。
圖 1-4 傳統(tǒng)三狀態(tài)幅度調(diào)制假肢控制Fig.1-4 Three-state amplitude modulation control of prosthesis早在 20 世紀 60 年代前，研究者 Reiter、Berger 等[19]提出了一種 3 狀態(tài)包絡解調(diào)肌電控制方法。但受制于當時的電子技術水平，并沒有在臨床上用。隨著半導體技術的發(fā)展，在 19 世紀 60 年代至 70 年代，采用幅度和多狀態(tài)肌電控制器研究取得了重大的進展。在此期間，商業(yè)化肌電假肢手開始出現(xiàn)，以 Otto Bock、Hugh Steeper 為代表的公司開始提供臨床使用的。圖 1-4 簡述了幅度和速率調(diào)制控制方法的原理[19]。該控制方案將假肢能分配給一塊獨立的肌肉，在肌肉開始進行拉伸活動且肌電信號的幅度高，就啟動假肢手對應的功能自由度。這種使用肌電信號幅度調(diào)制來控制假被稱為傳統(tǒng)肌電控制，已被廣泛地應用到現(xiàn)有肌電假肢手產(chǎn)品上。但是這電控制方法很難在動作模式多于 3 個的肌電假肢手系統(tǒng)上使用，因為根據(jù)學技術還不能夠找到多塊獨立運動的前臂肌肉[20]，其操作的失誤率也是受的。傳統(tǒng)的肌電控制方法已不能滿足未來多自由度靈巧假肢手控制的要在急需要尋找性能更佳的動作肌電信號解碼技術，來解決現(xiàn)有肌電人機接
本文編號：2904197
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