基于模式识别方法的仿生灵巧手肌电控制系统设计及仿真

发布时间：2017-05-01 00:11

  本文关键词：基于模式识别方法的仿生灵巧手肌电控制系统设计及仿真，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：利用人体肌电信号实现智能仿生灵巧手的控制,不仅可以促进残疾人事业的发展,在康复医学和微创外科手术领域也具有重要的应用价值。现有的智能仿生灵巧手肌电控制方式主要有:基于阈值决策、基于幅值编码、分层控制决策和基于模式识别四种,基于模式识别方法的仿生灵巧手肌电控制包括肌电信号的特征提取和特征分类两个主要方面。本文围绕仿生灵巧手肌电控制系统的设计,从基于前臂表面肌电信号的人手8动作状态信号处理和模式识别、智能仿生灵巧手肌电控制系统算法及仿生灵巧手肌电控制系统仿真三方面展开研究。第一,对灵巧手、表面肌电信号、灵巧手肌电控制系统和虚拟现实技术的发展及研究现状进行了详细的综述。第二,详细地分析了肌电信号的特点、产生机理、采集方式及特征提取和分类方法,设计了8动作状态模式识别实验。应用高性能无线表面肌电信号采集系统采集人体前臂6路表面肌电信号;设计时域自回归(TD-AR)模型求取原始表面肌电信号样本数据的平均绝对值循环比特征和各通道1-4阶AR系数特征;采用主元素分析法实现了特征值矩阵的降维处理,综合变量的累计贡献率为99%;应用MATLAB中的net=newpnn(P,T,SPREAD)函数建立概率神经网络,实现了8动作状态模式识别。第三,建立了基于高精度肌肉骨骼仿真软件的虚拟仿生灵巧手模型,实现了基于Simulink仿真系统的虚拟仿生灵巧手肌电控制。本文在8动作状态信号处理及模式识别方法上的优势在于:TD-AR特征值提取模型的设计,充分利用了时域特征分析方法计算简单、获取迅速的优点,弥补了其提取特征值稳定性差不能充分利用表面肌电信号信号谱信息的缺点;基于概率神经网络的手势识别模型具有网络结构简单、稳定、收敛速度快、训练时间短及容错性强等优势,本文中5位实验对象各自完成8个手势动作状态的平均识别率为92.2%。虚拟仿生灵巧手肌电控制系统的创新点在于:采用一种新型的肌肉骨骼仿真软件建立了Shadow Hand灵巧手虚拟交互控制模型。将实验对象的前臂6路表面肌电信号作为识别器输入信号,通过有限状态机控制模型驱动虚拟仿生灵巧手,实现了虚拟仿生灵巧手的肌电控制。该研究为仿生灵巧手控制系统提供了全新的控制算法及仿真系统,对医疗机器人、智能假肢以及新型人机交互系统具有重要应用价值和指导意义。
【关键词】：仿生灵巧手 表面肌电信号 模式识别 虚拟现实模型
【学位授予单位】：南华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R319;TP273
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-21
• 1.1 研究背景12-13
• 1.2 国内外研究现状13-19
• 1.2.1 灵巧手的发展历程及研究现状13-15
• 1.2.2 肌电信号的发展简述15-16
• 1.2.3 灵巧手肌电控制的发展历程及研究现状16-18
• 1.2.4 虚拟现实技术简述18-19
• 1.3 存在的问题及解决方案19
• 1.4 研究内容19-21
• 第2章 肌电信号的采集及模式识别方法21-27
• 2.1 肌电信号的产生机理及特点21-22
• 2.1.1 肌电信号的产生机理21
• 2.1.2 肌电信号的特点21-22
• 2.2 肌电信号采集方式的选择22-23
• 2.3 肌电控制信号的模式识别方法23-26
• 2.3.1 表面肌电信号的特征提取方法及性能比较23-25
• 2.3.2 基于人工神经网络的特征分类方法及性能比较25-26
• 2.4 本章小结26-27
• 第3章 基于前臂表面肌电信号的8动作模式识别27-45
• 3.1 实验系统27-28
• 3.2 8 动作状态识别实验28-32
• 3.2.1 实验设计流程28-29
• 3.2.2 传感器数量及布局29-31
• 3.2.3 样本数据的提取31-32
• 3.3 特征提取32-37
• 3.3.1 时域特征提取33
• 3.3.2 AR特征提取33-37
• 3.4 特征降维37-39
• 3.5 基于概率神经网络的8动作状态特征分类39-44
• 3.6 本章小结44-45
• 第4章 基于MSMS的虚拟仿生灵巧手肌电控制45-59
• 4.1 肌肉骨骼虚拟现实软件MSMS45-46
• 4.2 基于MSMS软件环境的灵巧手模型的建立46-53
• 4.2.1 ShadowHand灵巧手参数分析47-49
• 4.2.2 虚拟灵巧手模型的建立49-50
• 4.2.3 运动仿真模块的建立50-53
• 4.3 表面肌电信号控制虚拟仿生灵巧手53-58
• 4.3.1 基于Stateflow的肌电控制状态机模型的建立54-55
• 4.3.2 虚拟仿生灵巧手的8动作状态肌电控制55-58
• 4.4 本章小结58-59
• 第5章 结论与展望59-61
• 5.1 研究工作总结59
• 5.2 展望59-61
• 参考文献61-66
• 附录一 虚拟仿生灵巧手各模块建模参数表66-69
• 附录二 虚拟仿生灵巧手各关节建模参数表69-73
• 作者攻读学位期间的科研成果73-74
• 致谢74

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 ;上海肌电控制假手研制小组在京汇报工作[J];医疗器械;1979年06期

2 林良明;胡东培;叶立英;刘文qP;肖沧明;刘元池;邱以功;施旭初;沈月明;洪长顺;;肌电控制假手的研究与发展[J];医疗器械;1980年01期

3 罗永昭,战国利,周建,胡德勇;肌电控制上臂假肢[J];自然杂志;1981年08期

4 李晶;邵忍平;王伟;黄欣娜;;基于抓握可靠性的肌电控制假手优化和动态性能研究[J];机械科学与技术;2014年07期

5 刘文qP,林良明;肌电控制前臂假手机构分析[J];中国生物医学工程学报;1983年01期

6 郝秀春,朱林剑;对假手技术的展望[J];现代康复;2001年06期

7 陈乃钧;俞际春;孙月娥;;三自由度前臂假手的肌电控制系统[J];生物医学工程通讯;1982年02期

8 ;肌电控制前臂假肢[J];医疗器械;1977年01期

9 武媚,魏友碧;肌电控制肌肉刺激治疗偏瘫70例疗效观察[J];中华物理医学与康复杂志;2003年04期

10 张宗明;刘文qP;;肌电控制假手电池选型原则及容量计算[J];上海生物医学工程通讯;1985年02期

中国重要会议论文全文数据库 前1条

1 罗永昭;;中国肌电控制假肢现状[A];第21届中国康协肢残康复学术年会暨第二届“泰山杯”全国骨科青年科技创新论坛论文摘要[C];2012年

中国重要报纸全文数据库 前5条

1 信文;肌电控制假肢助患者“一臂之力”[N];医药经济报;2003年

2 记者宋心德;墨研制成功肌电控制假肢[N];人民日报;2003年

3 宋心德;墨西哥肌电控制假肢临床应用获成功[N];医药经济报;2004年

4 本报记者 邓国庆;巴西研制出肌电控制假肢[N];科技日报;2003年

5 记者 宋心德;肌电控制假肢墨西哥临床应用成功[N];新华每日电讯;2004年

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 杨大鹏;仿人型假手多运动模式的肌电控制研究[D];哈尔滨工业大学;2011年

2 黄鹏程;基于多点连续肌电控制的仿生康复手关键技术研究[D];浙江工业大学;2013年

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 宋小瑛;基于模式识别方法的仿生灵巧手肌电控制系统设计及仿真[D];南华大学;2015年

2 陈雨龙;基于肌肉电信号的仿人型假手控制[D];华南理工大学;2014年

  本文关键词：基于模式识别方法的仿生灵巧手肌电控制系统设计及仿真，由笔耕文化传播整理发布。

，

本文编号：337883