本文關(guān)鍵詞：基于表面肌電信號(hào)的多自由度假肢控制算法及系統(tǒng)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：肌電假肢手是重建截肢患者上肢運(yùn)動(dòng)功能的重要技術(shù)方法,它利用殘肢表面肌電信號(hào)(Surface Electromyography,sEMG)對(duì)假肢手關(guān)節(jié)動(dòng)作進(jìn)行控制,對(duì)于改善截肢患者的日常生活及心理具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前,多自由度的肌電假肢雖然取得了一定的進(jìn)展,但仍然面臨著自由度少、穩(wěn)定性不夠、實(shí)時(shí)效果差等不足,遠(yuǎn)未達(dá)到人們的期望水平。本文圍繞多自由度肌電假肢手動(dòng)作控制,以設(shè)計(jì)動(dòng)作識(shí)別算法并構(gòu)建實(shí)時(shí)系統(tǒng)為目標(biāo),從虛擬手平臺(tái)開發(fā)以及多自由度實(shí)時(shí)控制假肢系統(tǒng)展開。其具體實(shí)現(xiàn)過程如下:通過比較不同的模式識(shí)別控制算法,本文選擇了魯棒性較好的的支持向量機(jī)作為實(shí)時(shí)識(shí)別控制算法。為了對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證,選擇了五個(gè)常見手勢(shì)(張開、閉合、捏、握瓶、鉤狀)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)過程中利用4個(gè)獨(dú)立式電極從前臂肌肉上采集表面肌電信號(hào)。利用該離線數(shù)據(jù)完成識(shí)別分類器的構(gòu)建及測(cè)試,結(jié)果顯示其整體識(shí)別率可以達(dá)到89.67%。本文采用Labwindows和Matlab混合編程完成了虛擬手平臺(tái)的搭建。利用Labwindows和數(shù)據(jù)采集卡完成多通道表面肌電信號(hào)的采集,利用Active控件將數(shù)據(jù)發(fā)送到Matlab工作空間,Matlab則完成模式識(shí)別及虛擬手模型的驅(qū)動(dòng)。其中虛擬手模型利用VR Builder完成。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該虛擬手平臺(tái)可以根據(jù)指令完成不同的手勢(shì)動(dòng)作。實(shí)時(shí)性測(cè)試中發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)耗時(shí)約為175ms,具有較好的實(shí)時(shí)性,能夠適應(yīng)于算法的測(cè)試及訓(xùn)練。同時(shí),對(duì)支持向量機(jī)進(jìn)行在線測(cè)試,經(jīng)過統(tǒng)計(jì),整體識(shí)別率約為85%,表明該算法可以較好的適用于實(shí)時(shí)控制。本文建立了基于DSP的機(jī)械假肢手實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。其中機(jī)械假肢手共有五個(gè)可獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的手指,每個(gè)手指有三個(gè)關(guān)節(jié),由一個(gè)電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。該系統(tǒng)以4通道獨(dú)立式電極作為表面肌電信號(hào)采集電極,DSP作為信號(hào)采集及分析平臺(tái),電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的MCU作為下位機(jī)。利用Matlab Coder將已經(jīng)在虛擬手平臺(tái)上驗(yàn)證通過的支持向量機(jī)識(shí)別算法進(jìn)行移植。最后通過仿真測(cè)試得出,該實(shí)時(shí)系統(tǒng)的延時(shí)時(shí)間約為200ms,識(shí)別準(zhǔn)確率可以達(dá)到80%以上。但是由于解剖組織、生理狀態(tài)等因素使肌電信號(hào)表現(xiàn)出較大的個(gè)體差異,傳統(tǒng)的參數(shù)歸一化方法需要大樣本的訓(xùn)練構(gòu)建適合用戶的肌電控制模型,新近發(fā)展起來的一種基于動(dòng)作因素和個(gè)體因素的雙線性模型為肌電假肢控制提供了新的思路。本文利用指總伸肌的綜合強(qiáng)度和肌電活動(dòng)的空間分布特征構(gòu)建雙線性模型,將指總伸肌肌電活動(dòng)從神經(jīng)-肌肉生理機(jī)制的角度分解為用戶相關(guān)的個(gè)人因素矩陣和與動(dòng)作相關(guān)的動(dòng)作模式矩陣。為了驗(yàn)證該模型,該文利用食指、中指、無名指在20%MVC、40%MVC、60%MVC三個(gè)力量水平的單指按壓時(shí)利用柔性陣列電極所采集的6名志愿者的指總伸肌sEMG信號(hào)完成雙線性模型的構(gòu)建,在較少的樣本訓(xùn)練下實(shí)現(xiàn)了對(duì)力量水平和手指模式的較好識(shí)別。該結(jié)果表明雙線性模型可用于簡(jiǎn)化肌電假肢接口的訓(xùn)練過程,對(duì)肌電假肢手力量和手指動(dòng)作控制有較大的應(yīng)用前景。
【關(guān)鍵詞】：表面肌電信號(hào) 動(dòng)作識(shí)別 實(shí)時(shí)處理 假肢手控制
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：R318.17;TN911.6
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-10
• 1 緒論10-16
• 1.1 肌電假肢手國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀10-14
• 1.1.1 國(guó)外假手研究現(xiàn)狀10-13
• 1.1.2 國(guó)內(nèi)假手研究現(xiàn)狀13-14
• 1.2 本文的主要研究?jī)?nèi)容14-16
• 2 基于表面肌電信號(hào)的模式識(shí)別算法16-30
• 2.1 引言16
• 2.2 基于肌電特征的手動(dòng)作模式識(shí)別16-17
• 2.3 肌電信號(hào)預(yù)處理17-20
• 2.4 基于SVM的手部動(dòng)作識(shí)別模式識(shí)別原理及算法構(gòu)建20-28
• 2.4.1 理論基礎(chǔ)21-22
• 2.4.2 實(shí)現(xiàn)方法22-23
• 2.4.3 手部動(dòng)作的前臂肌電信號(hào)采集23-27
• 2.4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果27-28
• 2.5 小結(jié)28-30
• 3 基于LabWindows/CVI-Matlab混合編程的虛擬手平臺(tái)30-50
• 3.1 引言30
• 3.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)背景30-31
• 3.3 虛擬手平臺(tái)31-32
• 3.4 LabWindows/Matlab軟件設(shè)計(jì)32-38
• 3.4.1 LabWindows/CVI部分編程實(shí)現(xiàn)33-36
• 3.4.2 LabWindows/CVI與MATLAB的通信原理與方法36-38
• 3.4.3 程序發(fā)布38
• 3.5 Matlab對(duì)Simulink模塊調(diào)用38-42
• 3.5.1 Simulink/VR模型38-41
• 3.5.2 Matlab對(duì)Simulink模塊的調(diào)用41-42
• 3.6 識(shí)別算法程序?qū)崿F(xiàn)及優(yōu)化42-45
• 3.6.1 算法的實(shí)現(xiàn)42-43
• 3.6.2 程序優(yōu)化43-45
• 3.7 系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果45-48
• 3.7.1 采集模式下數(shù)據(jù)測(cè)試45
• 3.7.2 虛擬手模式實(shí)時(shí)性測(cè)試45-46
• 3.7.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證46-48
• 3.8 本章小結(jié)48-50
• 4 基于DSP的肌電分析及假肢手動(dòng)作模式識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)50-68
• 4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案50-51
• 4.2 2DSP軟件設(shè)計(jì)51-66
• 4.2.1 AD采集52-57
• 4.2.2 濾波器的實(shí)現(xiàn)57-58
• 4.2.3 SPI控制下位機(jī)58-61
• 4.2.4 識(shí)別算法實(shí)現(xiàn)61-64
• 4.2.5 Cmd文件的配置64-65
• 4.2.6 程序下載設(shè)置65-66
• 4.3 本章小結(jié)66-68
• 5 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)68-76
• 5.1 多指假肢手指驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)68-69
• 5.2 DSP及外圍電路的設(shè)計(jì)69-73
• 5.2.1 系統(tǒng)供電電源電路介紹71
• 5.2.2 下位機(jī)電路設(shè)計(jì)71-72
• 5.2.3 假肢電機(jī)驅(qū)動(dòng)72-73
• 5.3 系統(tǒng)整體效果73-75
• 5.3.1 系統(tǒng)仿真測(cè)試73-74
• 5.3.2 系統(tǒng)測(cè)試74-75
• 5.4 本章小結(jié)75-76
• 6 基于表面肌電雙線性模型的動(dòng)作模式識(shí)別76-86
• 6.1 理論基礎(chǔ)76-79
• 6.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及驗(yàn)證79-81
• 6.3 結(jié)果與分析81-85
• 6.3.1 表面肌電特征值隨手指動(dòng)作、指力變化趨勢(shì)81-83
• 6.3.2 雙線性模型構(gòu)建結(jié)果83-84
• 6.3.3 識(shí)別結(jié)果84-85
• 6.4 本章小結(jié)85-86
• 7 總結(jié)與展望86-88
• 7.1 總結(jié)86-87
• 7.2 工作展望87-88
• 致謝88-90
• 參考文獻(xiàn)90-94
• 附錄94
• A. 作者在攻讀為學(xué)期間取得的科研成果目錄94
• B. 作者在攻讀學(xué)位期間參與的科研項(xiàng)目94

【參考文獻(xiàn)】

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  本文關(guān)鍵詞：基于表面肌電信號(hào)的多自由度假肢控制算法及系統(tǒng)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號(hào)：436339