基于肌电信号的多模式人机接口研究
发布时间：2020-12-08 01:16
表面肌电信号记录了在肌肉自主收缩时由肌肉纤维产生的电生理活动。它作为生物/机械人机接口的一种重要输入信号在电动假肢手控制中得到了广泛地应用,该方法也被称作肌电控制。肌电人机接口的主要功能是识别肌电信号的动作模式,从而为肌电控制提供准确的动作指令。为能控制多自由度灵巧假肢手,人机接口系统需要从肌电信号中解码出多种手部和腕部动作所对应的肌电模式,并保证其具有足够的分类精度。本文将侧重研究肌电特征提取和分类算法。主要的工作如下:为了从肌电信号中提取高阶统计信息,本文采用双谱变换来分析信号,并使用双谱积分方法和Fisher线性判别投影方法提取双谱矩阵中的特征量。在实验中,我们采用Davies-Bouldlin系数和各种不同分类器来分析肌电高阶信息对动作分类效果的影响。实验结果表明双谱特征在类-类分离性和动作识别率上要好于其它一阶或二阶肌电特征。本文使用肌电信号的频率信息来进行动作分类,提出一种从傅里叶系数中导出倒谱系数的特征提取方法,其计算主要采用快速傅里叶变换和离散余弦变换实现。基于Fisher比例系数的特征选择用来从倒谱系数中获取具有最佳区分度的肌电特征。另外,我们还提出了一种特征层次的后...
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：131 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
基于肌电信号的人机接口应用Fig.1-1ApplicationsoftheEMG-basedHMI
exterous hand[15]，Cyberhand[16]，DLR-HIT hand[17] 等），但在现阶段基于人体信号处理的控制技术发展还相对滞后，急需研究和开发出能够满足多自由度灵巧手控制需求的生物/机械人机接口系统。生物、信息、控制等领域的技术进步以SP、FPGA 等芯片强大的数据处理能力使得人们有条件开发功能先进的生物／机统接口。近年来，应用于多自由度假肢手控制的人机接口的研究已经成为国外学注的一个热点，加拿大 University of New Brunswick 大学，美国 Rehabilitastitution of Chicago 和意大利 Advanced Robotics Technology and Systems Laborary外大学和研究机构正在致力于开发新一代肌电控制假肢手及其人机接口系统。在的有关肌电控制多自由度假肢手的研究项目中，具有代表性的工作是由约翰霍普大学应用物理实验室以及北美多家大学联合开展的 DARPA（Defense Advanesearch Projects Agents）Revolutionizing Prosthetics 2009 项目。该研究计划拟开发含有 23 个自由度的灵巧假肢手，以提供给在战争中失去手臂的人使用，其假肢制系统中的一个重要组成部分就是基于动作肌电信号识别的生物/机械接口。可见，肌电控制人机接口技术将会是新一代多自由度灵巧假肢手开发过程中的一个研究对象。
图 1-4 传统三状态幅度调制假肢控制Fig.1-4 Three-state amplitude modulation control of prosthesis早在 20 世纪 60 年代前，研究者 Reiter、Berger 等[19]提出了一种 3 状态包络解调肌电控制方法。但受制于当时的电子技术水平，并没有在临床上用。随着半导体技术的发展，在 19 世纪 60 年代至 70 年代，采用幅度和多状态肌电控制器研究取得了重大的进展。在此期间，商业化肌电假肢手开始出现，以 Otto Bock、Hugh Steeper 为代表的公司开始提供临床使用的。图 1-4 简述了幅度和速率调制控制方法的原理[19]。该控制方案将假肢能分配给一块独立的肌肉，在肌肉开始进行拉伸活动且肌电信号的幅度高，就启动假肢手对应的功能自由度。这种使用肌电信号幅度调制来控制假被称为传统肌电控制，已被广泛地应用到现有肌电假肢手产品上。但是这电控制方法很难在动作模式多于 3 个的肌电假肢手系统上使用，因为根据学技术还不能够找到多块独立运动的前臂肌肉[20]，其操作的失误率也是受的。传统的肌电控制方法已不能满足未来多自由度灵巧假肢手控制的要在急需要寻找性能更佳的动作肌电信号解码技术，来解决现有肌电人机接
本文编号：2904197
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：131 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
基于肌电信号的人机接口应用Fig.1-1ApplicationsoftheEMG-basedHMI
exterous hand[15]，Cyberhand[16]，DLR-HIT hand[17] 等），但在现阶段基于人体信号处理的控制技术发展还相对滞后，急需研究和开发出能够满足多自由度灵巧手控制需求的生物/机械人机接口系统。生物、信息、控制等领域的技术进步以SP、FPGA 等芯片强大的数据处理能力使得人们有条件开发功能先进的生物／机统接口。近年来，应用于多自由度假肢手控制的人机接口的研究已经成为国外学注的一个热点，加拿大 University of New Brunswick 大学，美国 Rehabilitastitution of Chicago 和意大利 Advanced Robotics Technology and Systems Laborary外大学和研究机构正在致力于开发新一代肌电控制假肢手及其人机接口系统。在的有关肌电控制多自由度假肢手的研究项目中，具有代表性的工作是由约翰霍普大学应用物理实验室以及北美多家大学联合开展的 DARPA（Defense Advanesearch Projects Agents）Revolutionizing Prosthetics 2009 项目。该研究计划拟开发含有 23 个自由度的灵巧假肢手，以提供给在战争中失去手臂的人使用，其假肢制系统中的一个重要组成部分就是基于动作肌电信号识别的生物/机械接口。可见，肌电控制人机接口技术将会是新一代多自由度灵巧假肢手开发过程中的一个研究对象。
图 1-4 传统三状态幅度调制假肢控制Fig.1-4 Three-state amplitude modulation control of prosthesis早在 20 世纪 60 年代前，研究者 Reiter、Berger 等[19]提出了一种 3 状态包络解调肌电控制方法。但受制于当时的电子技术水平，并没有在临床上用。随着半导体技术的发展，在 19 世纪 60 年代至 70 年代，采用幅度和多状态肌电控制器研究取得了重大的进展。在此期间，商业化肌电假肢手开始出现，以 Otto Bock、Hugh Steeper 为代表的公司开始提供临床使用的。图 1-4 简述了幅度和速率调制控制方法的原理[19]。该控制方案将假肢能分配给一块独立的肌肉，在肌肉开始进行拉伸活动且肌电信号的幅度高，就启动假肢手对应的功能自由度。这种使用肌电信号幅度调制来控制假被称为传统肌电控制，已被广泛地应用到现有肌电假肢手产品上。但是这电控制方法很难在动作模式多于 3 个的肌电假肢手系统上使用，因为根据学技术还不能够找到多块独立运动的前臂肌肉[20]，其操作的失误率也是受的。传统的肌电控制方法已不能满足未来多自由度灵巧假肢手控制的要在急需要寻找性能更佳的动作肌电信号解码技术，来解决现有肌电人机接
本文编号：2904197
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