基于表面肌电信号的智能上肢设计与研究

发布时间：2020-04-25 16:06

【摘要】：智能上肢假肢是用于替代人类上肢部分缺失或受损的生物电子装置,能有效改善截肢患者生存现状,提高其生活质量。但目前市场上的商业上肢假肢大多是装饰性假肢或价格昂贵的功能性假肢,不能满足截肢患者对假肢经济化、轻量化、高性能的使用需求,因此研发一种经济美观实用的智能上肢假肢具有重要的社会意义和市场价值。传统的肌电控制假肢多采用开关控制、阈值控制等方式,仅能实现假肢开、合控制等简单的功能。近些年出现的基于传统机器学习模式识别算法的多自由度肌电控制假肢,其功能较传统肌电控制假肢更为丰富和使用更加灵巧,但其性能好坏依赖于人工设计的特征,系统的鲁棒性较差;加上采集装置对电极位置敏感,系统稳健性较弱,患者在使用之前要进行步骤繁琐的标定实验,给使用者带来了诸多不便。市场上现存的大多数假肢不能满足截肢患者的使用需求。针对上述问题,本文提出了一种基于多通道深度卷积神经网络的上肢运动模式识别算法,用于智能上肢假肢的肌电控制。这个算法将8通道表面肌电信号转化为肌电图像,并根据骨骼肌肉运动理论,将其分解为4个局部图像。将1个整体图像和4个局部图像分别作为5个通道的深度卷积神经网络的输入,学习肌电图像的整体特征信息和关键局部特征信息,改善了网络模型对于肌电图像的特征表示能力,提高了上肢运动模式识别的准确率。同时由于卷积神经网络具有很好的深层抽象特征表示能力,本文所提出的基于多通道深度卷积神经网络的上肢运动模式识别算法具有更强的鲁棒性,克服了电极移位、阻抗变化以及肌肉疲劳等因素对识别准确率的的影响,很好的提升了系统的稳健性,提高了肌电控制假肢的控制性能和患者的使用舒适度。本文提出了基于滑触觉感知反馈的肌电控制智能上肢系统。采用PVDF压电薄膜作为滑触觉信息的感知器来采集滑触觉信号,通过滑触觉感知与判别,进行精细的假肢抓握控制,使智能上肢假肢具有更好的仿生性、灵巧性和智能性。该智能上肢假肢面向前臂长残肢截肢患者的使用需求,采用基于滑触觉感知反馈的肌电控制方式,实现了智能上肢假肢的自主性、灵活性控制。最后总结了本文的研究成果,并对后续研究做出了展望。
【图文】：

假肢,木乃伊,古埃及,脚趾

1.2.1 假肢发展历史关于义肢最早的记载，可以追溯到公元前 950 至公元前 710 年的古代埃及。世界上最早的假肢，是英国科学家在古埃及木乃伊脚趾上发现的，如图1-1所示。主要起到弥补外形缺陷的作用，同时也具有定的支撑作用。假肢的发展经过了原始文明时期、欧洲中世纪时期、欧洲文艺复兴时期、美国南北战争时期、第次世界大战到第二次世界大战期间以及现代 6 个关键发展时期[4,5]。原始时期的假肢主要起到装饰的作用，欧洲中世纪时期、欧洲文艺复兴时期出现了由木材，皮革和金属材料制作而成的机械假肢，具有定的实际操作功能，如图 1-2 所示。

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工程硕士专业学位论文国、日本、英国、加拿大、南斯拉夫、手展开了多项研究，并取得了诸多研究成控制上肢假肢的研究。ck[19]公司研制的单自由度肌电假肢手 Ot功，实际运用最广泛的肌电假手之。O三指肌电假肢手，如图 1-2 所示。其不仅还可以通过假手上配备的传感器，，感知动时，假肢手会自动调节抓握动作，增ook 公司直致力于仿人假肢手的研发和的假肢手 Michelangelo[19]是目前世界上控制拇指的内收与外展，腕关节内旋与手的五个指尖和掌心还自带 6 个传感器
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP18;TP391.4;R496

【参考文献】