基于表面肌电信号与近红外光谱技术联合解码的仿人假肢控制系统

发布时间：2017-03-17 12:04

  本文关键词：基于表面肌电信号与近红外光谱技术联合解码的仿人假肢控制系统，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近红外光谱(Near-infrared spectroscopy,NIRS)技术,是一种无损检测人体组织血氧浓度变化的方法,采用该技术监测人体肌群的运动信息具有较高的空间分辨率,故近年来越来越多地应用于肌肉运动信息的监测中。表面肌电信号(Surface electromyography,sEMG),是一种由骨骼肌产生、在肌肉之上的皮肤表面处记录的电信号。sEMG是反映人体肌群运动最直接的信息来源,被广泛地应用于人机接口(Human computer interface,HCI)技术中,特别是康复工程中仿人假肢、轮椅等残疾人康复设备的控制。基于sEMG的人机接口,其缺点是容易受到噪声干扰、空间分辨率低,且随人体生理状况变化(如肌肉疲劳)会产生特征偏移。已有研究表明,引入NIRS信号能够提高基于sEMG的人机接口的性能。本文主要的工作是将NIRS信号引入到肌群运动信息监测系统中,开发一套基于sEMG与NIRS联合解码的仿人假肢控制系统,并通过实验验证NIRS信号对人机接口的提高作用。主要研究内容包括:首先,开发出适用于监测肌肉运动信息的NIRS传感器,并对传感器各项参数进行了测试,结果表明其在噪声、稳定性、抗干扰等能达到与已有系统相当的水平,并能有效地监测肌肉血氧信息;然后,结合实验室现有的sEMG传感器,通过降低NIRS信号与s EMG信号相互间的干扰,开发出NIRS与sEMG联合采集传感器。进一步地,在实验室已有的“肌电信号监测与存储软件”的基础之上,开发出用于sEMG与NIRS联合解码的电脑端软件,实现两种信号的特征提取,与动作类别的模式识别;然后,结合实验室已有的欠驱动仿人假肢结构,通过模式识别的结果控制其实现多种典型的动作模式,完成了基于sEMG与NIRS联合解码的仿人假肢控制平台的搭建。最后,进行了离线的动作模式识别实验和在线的仿人假肢控制实验。离线实验结果表明,引入NIRS使sEMG模式识别的正确率提高10%以上。在线假肢控制实验表明,基于sEMG与NIRS联合解码的仿人假肢控制系统,通过sEMG信号与NIRS信号联合解码,能够实时顺利地控制假肢完成多个动作模式。
【关键词】：康复工程 假肢控制 模式识别 NIRS sEMG
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R318.17;TN911.7
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-16
• 第一章 绪论16-26
• 1.1 课题研究的背景与意义16-23
• 1.1.1 NIRS技术的背景与发展历史16-18
• 1.1.2 NIRS技术发展现状18-20
• 1.1.3 NIRS用于辅助sEMG的人机接口20-23
• 1.2 本课题的研究内容23-26
• 1.2.1 课题来源23
• 1.2.2 研究的主要内容23-26
• 第二章 NIRS传感器设计及其与sEMG传感器的融合26-58
• 2.1 NIRS血氧检测的生理学模型26-32
• 2.1.1 NIRS血氧检测的基本原理26-28
• 2.1.2 连续波光谱技术技术的生理学模型28-31
• 2.1.3 模型参数的确定31-32
• 2.2 NIRS血氧传感器开发32-45
• 2.2.1 光源和探测器参数的确定33-34
• 2.2.2 光源与探测器距离的确定34
• 2.2.3 探头的设计及光源的驱动频率选择34-37
• 2.2.4 滤波电路37-39
• 2.2.5 数据采集及发送39-40
• 2.2.6 多通道传感器的集成、小型化设计40-42
• 2.2.7 控制器程序42-44
• 2.2.8 PC端数据处理44-45
• 2.3 NIRS血氧传感器测试45-52
• 2.3.1 暗噪声46-47
• 2.3.2 漂移（drift）47
• 2.3.3 通道间的干扰47-48
• 2.3.4 环境光干扰48
• 2.3.5 前臂阻断实验48-50
• 2.3.6 增量握力实验50-52
• 2.4 NIRS与sEMG联合采集传感器52-55
• 2.4.1 sEMG的采集53-54
• 2.4.2 sEMG与NIRS联合的采集54-55
• 2.5 本章小结55-58
• 第三章 基于sEMG与NIRS联合解码的仿人假肢控制平台58-74
• 3.1 NIRS与sEMG信号的处理58-60
• 3.1.1 预处理58-59
• 3.1.2 信号分割59
• 3.1.3 特征提取59-60
• 3.2 模式识别算法60-62
• 3.2.1 判别函数61
• 3.2.2 参数的估计61-62
• 3.2.3 动作模式的输出62
• 3.3 PC端软件的实现62-67
• 3.3.1 软件模块及其实现62-65
• 3.3.2 软件运行流程65-67
• 3.4 仿人假肢控制67-73
• 3.4.1 仿人假肢的结构67
• 3.4.2 仿人假肢的控制系统67-70
• 3.4.3 仿人假肢典型动作模式的实现70
• 3.4.4 在线控制仿人假肢70-73
• 3.5 本章小结73-74
• 第四章 离线模式识别实验及在线假肢控制实验74-82
• 4.1 离线模式识别实验74-78
• 4.1.1 实验范式74-76
• 4.1.2 数据处理76
• 4.1.3 实验结果76-78
• 4.2 在线测试78-80
• 4.2.1 实验范式78-79
• 4.2.2 数据处理79
• 4.2.3 实验结果79-80
• 4.3 本章小结80-82
• 第五章 总结与展望82-84
• 5.1 本文工作总结82-83
• 5.2 后续工作及展望83-84
• 参考文献84-90
• 致谢90-92
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文92

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前7条

1 Qikun TANG;Di MIN;Tonghua HU;Guiqing KAI;Yu WANG;;Determination of the Content of Steviol Glycoside in Stevia rebaudiana by Near Infrared Spectroscopy( NIRS)[J];Medicinal Plant;2014年04期

2 莽锐,吴宁华,沈s輙2;一个新的元件(NIRS)参与白介素2受体α基因的调控[J];科学通报;2001年22期

3 陈飒英,赵时敏,酒谷熏,庞宁;NIRS监测新生儿缺氧缺血性脑病脑氧合代谢和脑血流量的临床研究[J];中华围产医学杂志;2000年04期

4 徐声亮,王岩,酒谷薰;用NIRS观察甘露醇对颅高压者颅内血氧的影响[J];汕头大学医学院学报;1998年02期

5 盛德乔,陆瑜,李宏帆,吴宁华,沈s輙2;用酵母单杂交系统筛选人IL-2Rα基因NIRS元件结合蛋白的cDNA[J];基础医学与临床;2005年03期

6 韩海帆;张路;张淹;李文龙;瞿海斌;;NIRS法快速测定复方阿胶浆中总黄酮、总皂苷和可溶性固形物[J];中草药;2013年17期

7 ;[J];;年期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 ;Rapid Estimation of Cellulose,Hemicel lulose and Lignin Contents in Rice Straw by Near Infrared Reflectance Spectroscopy(NIRS)[A];2007年中国农业工程学会学术年会论文摘要集[C];2007年

2 陈立业;年芳;李发弟;汝应俊;唐德富;;近红外光谱技术(NIRS)分析胡麻饼营养成分的研究[A];中国畜牧兽医学会家禽学分会第九次代表会议暨第十六次全国家禽学术讨论会论文集[C];2013年

3 郝生燕;刘丹丹;汝应俊;唐德富;年芳;史兆国;;菜粕养分含量变异及近红外光谱技术(NIRS)检测研究[A];中国畜牧兽医学会家禽学分会第九次代表会议暨第十六次全国家禽学术讨论会论文集[C];2013年

4 丁武蓉;干友民;郭旭生;杨富裕;;近红外光谱技术(NIRS)在干草品质检测中的研究与应用[A];中国草学会青年工作委员会学术研讨会论文集[C];2007年

5 杨增玲;韩鲁佳;李琼飞;朱荣光;;利用NIRS测定肥育猪粪便中主要成分含量的研究[A];农业工程科技创新与建设现代农业——2005年中国农业工程学会学术年会论文集第五分册[C];2005年

6 皇才进;韩鲁佳;刘贤;杨增玲;;秸秆工业分析组成的近红外漫反射光谱(NIRS)分析研究[A];2007年中国农业工程学会学术年会论文摘要集[C];2007年

7 王晓红;;基于LS-SVR的谷物成分含量NIRS软测量法[A];2009中国控制与决策会议论文集（2）[C];2009年

8 王晓燕;韩鲁佳;黄光群;;NIRS在畜禽粪便及其堆肥分析中的应用研究[A];2007年中国农业工程学会学术年会论文摘要集[C];2007年

9 石光涛;韩鲁佳;杨增玲;刘贤;;基于NIRS技术的鱼粉中掺杂植物饼粕的研究[A];2007年中国农业工程学会学术年会论文摘要集[C];2007年

10 张立;宋高晴;;递增强度运动中NIRS测定肌氧拐点与无氧阈拐点的关系及分析[A];第九届全国体育科学大会论文摘要汇编(2)[C];2011年

中国重要报纸全文数据库 前1条

1 谢慧军　甘勇 陈庆华;近红外光谱技术用于制剂分析受到重视[N];中国医药报;2008年

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 苏华维;近红外光谱分析技术在牛肉品质检测中的应用研究[D];中国农业科学院;2014年

中国硕士学位论文全文数据库 前7条

1 姚鹏飞;基于表面肌电信号与近红外光谱技术联合解码的仿人假肢控制系统[D];上海交通大学;2015年

2 白扎嘎尔;近红外光谱分析技术（NIRS）在反刍动物饲料分析中的应用研究[D];内蒙古农业大学;2010年

3 程旭云;生物质秸秆热化工特性的NIRS分析方法与热值模型构建[D];华中农业大学;2013年

4 李宏;应用近红外光谱法（NIRS）预测绵羊日粮的营养状况[D];中国农业大学;2004年

5 沈芸;稻米抗氧化特性的遗传多样性及NIRS测定方法的建立[D];浙江大学;2008年

6 檀其梅;NIRs对11种饲料原料常规成分测定结果的可靠性评估[D];安徽农业大学;2008年

7 罗希茜;长期施肥对水稻土亚硝酸还原酶基因（nirK、nirS）多样性的影响[D];华中农业大学;2009年

  本文关键词：基于表面肌电信号与近红外光谱技术联合解码的仿人假肢控制系统，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：252850