表面肌電信號(hào)記錄了在肌肉自主收縮時(shí)由肌肉纖維產(chǎn)生的電生理活動(dòng)。它作為生物/機(jī)械人機(jī)接口的一種重要輸入信號(hào)在電動(dòng)假肢手控制中得到了廣泛地應(yīng)用,該方法也被稱作肌電控制。肌電人機(jī)接口的主要功能是識(shí)別肌電信號(hào)的動(dòng)作模式,從而為肌電控制提供準(zhǔn)確的動(dòng)作指令。為能控制多自由度靈巧假肢手,人機(jī)接口系統(tǒng)需要從肌電信號(hào)中解碼出多種手部和腕部動(dòng)作所對(duì)應(yīng)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(hào)中提取高階統(tǒng)計(jì)信息,本文采用雙譜變換來(lái)分析信號(hào),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(shí)驗(yàn)中,我們采用Davies-Bouldlin系數(shù)和各種不同分類器來(lái)分析肌電高階信息對(duì)動(dòng)作分類效果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明雙譜特征在類-類分離性和動(dòng)作識(shí)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(hào)的頻率信息來(lái)進(jìn)行動(dòng)作分類,提出一種從傅里葉系數(shù)中導(dǎo)出倒譜系數(shù)的特征提取方法,其計(jì)算主要采用快速傅里葉變換和離散余弦變換實(shí)現(xiàn)。基于Fisher比例系數(shù)的特征選擇用來(lái)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... 

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【學(xué)位級(jí)別】：博士

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基于肌電信號(hào)的人機(jī)接口應(yīng)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(hào)處理的控制技術(shù)發(fā)展還相對(duì)滯后，急需研究和開(kāi)發(fā)出能夠滿足多自由度靈巧手控制需求的生物/機(jī)械人機(jī)接口系統(tǒng)。生物、信息、控制等領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步以SP、FPGA 等芯片強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力使得人們有條件開(kāi)發(fā)功能先進(jìn)的生物／機(jī)統(tǒng)接口。近年來(lái)，應(yīng)用于多自由度假肢手控制的人機(jī)接口的研究已經(jīng)成為國(guó)外學(xué)注的一個(gè)熱點(diǎn)，加拿大 University of New Brunswick 大學(xué)，美國(guó) Rehabilitastitution of Chicago 和意大利 Advanced Robotics Technology and Systems Laborary外大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)正在致力于開(kāi)發(fā)新一代肌電控制假肢手及其人機(jī)接口系統(tǒng)。在的有關(guān)肌電控制多自由度假肢手的研究項(xiàng)目中，具有代表性的工作是由約翰霍普大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室以及北美多家大學(xué)聯(lián)合開(kāi)展的 DARPA（Defense Advanesearch Projects Agents）Revolutionizing Prosthetics 2009 項(xiàng)目。該研究計(jì)劃擬開(kāi)發(fā)含有 23 個(gè)自由度的靈巧假肢手，以提供給在戰(zhàn)爭(zhēng)中失去手臂的人使用，其假肢制系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分就是基于動(dòng)作肌電信號(hào)識(shí)別的生物/機(jī)械接口�？梢�(jiàn)，肌電控制人機(jī)接口技術(shù)將會(huì)是新一代多自由度靈巧假肢手開(kāi)發(fā)過(guò)程中的一個(gè)研究對(duì)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(jì) 60 年代前，研究者 Reiter、Berger 等[19]提出了一種 3 狀態(tài)包絡(luò)解調(diào)肌電控制方法。但受制于當(dāng)時(shí)的電子技術(shù)水平，并沒(méi)有在臨床上用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，在 19 世紀(jì) 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(jìn)展。在此期間，商業(yè)化肌電假肢手開(kāi)始出現(xiàn)，以 Otto Bock、Hugh Steeper 為代表的公司開(kāi)始提供臨床使用的。圖 1-4 簡(jiǎn)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(dú)立的肌肉，在肌肉開(kāi)始進(jìn)行拉伸活動(dòng)且肌電信號(hào)的幅度高，就啟動(dòng)假肢手對(duì)應(yīng)的功能自由度。這種使用肌電信號(hào)幅度調(diào)制來(lái)控制假被稱為傳統(tǒng)肌電控制，已被廣泛地應(yīng)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(dòng)作模式多于 3 個(gè)的肌電假肢手系統(tǒng)上使用，因?yàn)楦鶕?jù)學(xué)技術(shù)還不能夠找到多塊獨(dú)立運(yùn)動(dòng)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(lái)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(dòng)作肌電信號(hào)解碼技術(shù)，來(lái)解決現(xiàn)有肌電人機(jī)接


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