基于表面肌电信号的人手抓取动作模式识别技术研究

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1、师范大学硕士学位论文第一章绪论备的方法【8】。基于人体肌电信号进行假手的控制是生物机电一体化概念的具体实现，作为多学科知识交叉的典型实例，它能促进生物、机械电子以及计算机等各学科之间的交流与合作，而且对发展脑电控制、语音控制等多种人机接口的研究也具有一定的借鉴意义⋯引。假手肌电控制的核心是如何基于肌电信号分辨人手多种运动模式。文中探讨使用少数几枚肌电电极识别人手抓取模式，以解决多自由度假手肌电控制的难题。人手抓取动作模式控制的实现可以大大提升对残疾人患者的康复能力，同时多模式肌电控制方法还可以应用于多种需要人机接口的领域，如生物遥感，康复医

2、疗等，为人体对外部环境设备的交互提供另外一种实现方式。本论文从表面肌电信号中提取有效的信息，并实现准确的人手抓取动作识别，提高假肢的灵活能力，在肌电假肢实用化进程中具有重要意义。1．3表面肌电信号的国内外研究现状目前，假手控制常采用的几种控制信息源【l3】有：机械信号、语音信号、肌电信号、脑电信号、神经电信号。表面肌电信号控制假肢的研究占主导地位【1川61。表面肌电信号是肌肉电信号和神经干上电信号在皮肤表面的综合效应，能在一定程度上反映神经肌肉的活动。人手抓取动作模式识别的研究是基于表面肌电信号的不同动作的特征，主要研究的问题有传感器位置放

3、置、信号的采集和预处理、特征提取和动作分类等。在表面肌电信号的研究与应用中，特征提取和模式识别作为整个肌电假手中的中间环节，其主要的作用在于将采集到的肌电信号进行特征提取并正确识别肌电信号所代表的人手抓取动作，输出控制信号控制肌电假手的运动【14】。所以，表面肌电信号特征的选取，及肌电假手中模式识别系统的好坏直接影响着整个假肢的性能。因此，对于表面肌电信号特征提取与模式识别在表面肌电信号中的应用一直是人们关注的焦点。目前，已经有很多研究人员对表面肌电信号的人手抓取动作识别研究开展了大量的工作，主要包括两个方面内容：(1)表面肌电信号的特征提

4、取研究，特征提取的有效性直接影响肢体的动作识别效果；(2)表面肌电信号的分类器研究，能够为后续假肢控制提供有效的控制信号，分类器的作用是极其重要的。基于表面肌电信号的模式识别算法的假手肌电控制流程如图l-1所示：师范大学硕士学位论文第一章绪论表面肌电信号表面肌电信号的采集ll残肢上臂表面肌电信号的预处理表面肌电信号特征提取佩戴表面肌电信号模式识别Il肌电假手分类结果反馈图1．1基于模式识别算法的假手肌电控制流程1．3．1肌电信号采集和预处理的研究现状表面肌电信号的采集是一切基于表面肌电信号的处理的前提，主要的采集方法有两种，针式电极和表面电

5、极。针式电极采集信号需要入侵到皮肤内部，操作复杂而且对人体有一定的损伤；而表面肌电电极采集操作简单，对人体无任何伤害，因此受到广泛欢迎。肌电信号采集仪也随着科技的发展越来越先进，可适用的通道数也越来越多，灵敏度也越来越高。一般都采用由芬兰MEGA公司生产的ME6000型肌电信号采集仪，在此基础上还有配套的信号处理软件MEGAWIN。也有用NI公司的数据采集卡6024E进行信号采集的，然后用其配套的Labview软件将其采样值显示。中国科技大学实验采用DELSYS公司生产的MyomonitorIV肌电信号采集系统采集数据，它最多支持16通道的

6、表面肌电信号采集。还有一些大学的肌电采集仪选用美国NORAXON公司生产的表面肌电议MyoSysteml200，它支持8通道采集，不但可同时测量8个通道的肌电信号，而且采用了享有国际专利的电子反馈信号处理技术。肌电信号具有信号弱，随机性强，非线性和非平稳性强的特点，在采集过程中会引入大量的噪声信号。因此在对信号进行分析之前，要对其进行预处理。预处理包括滤波处理和起始点检测。在信号的预处理方面，国内外也取得了一定的成果。六十年代初期，R．E．卡尔曼等提出最佳时变线性滤波器，这个滤波器主要师范大学硕士学位论文第一章绪论是针对非平稳随机信号设计的

7、。这种滤波器有其固定的滤波系数，因为是以信号和噪声的预知信息为基础的。但是只有当实际信号和滤波器设计的先验信息一致时滤波器才能发挥其最佳效果。于是，针对这些不足，在七十年代中期，B．维德罗等人提出自适应滤波器。B．维德罗等人提出的自适应滤波器能够对系统或环境的动态变化有效地跟踪和适应。而且该滤波器无需事先知道信号或噪声的任何特征，通过系统的期望值和负反馈值进行分析来确定和改进滤波器的参数。自适应滤波器还具有一定的最优准则：一是滤波器的输出具有最大的信噪比即为匹配滤波器；二是滤波器的输出均方估计误差最小即维纳滤波器。自适应滤波器在信号去噪方面

8、有一定的效果，但是仍然存在一定的局限性。对于非平稳信号、瞬间信号，非线性信号等采用滤波器具有很大的局限性。文献[1l】中提出的傅里叶变换就是针对这些不足提出的，它是信号处理的一个