小波分析在表面肌电信号(semg)研究中的应用(机器人)

《小波分析在表面肌电信号(semg)研究中的应用(机器人)》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、万方数据第25卷第4期2008年8月黑龙江大学自然科学学报JOURNALOFNATURALSCIENCEOFHEILONGJIANGUNIVERSITYV01．25No．4August，2008小波分析在表面肌电信号(sEMG)研究中的应用王东岩1”，李庆玲1，杜志江1，孙立宁1，叶腾茂1(1．哈尔滨工业大学机器人研究所，哈尔滨150001；2．黑龙江中医药大学附属第二医院康复科，哈尔滨150001)摘要：表面肌电信号是从肌肉表面通过电极记录下来的反映神经肌肉系统活动的一维时间序列非平稳生物电信号。而小波分析作为一种多分辨率时频分析方

2、法是分析非平稳信号的有力数学工具。在简要回顾小波变换与多尺度分析的基础上，系统的总结了小波分析在当前表面肌电信号研究中的几个热点问题上的应用并剖析了其主要技术路线，包括小波分析在肌电信号预处理中的应用、小波分析在基于肌电信号的动作识别和假肢控制方法中的应用、小波分析肌肉疲劳评价中的应用等几方面。最后介绍了小波分析在笔者开发的新型外骨骼式上肢康复机械臂控制中的应用。关键词：表面肌电信号；小波分析；信号处理；假肢控制；肌肉疲劳评价中图分类号：TP318．04文献标志码：A文章编号：100l一7011(2008)04—0431’一060引言

3、表面肌电信号(surfaceelectromyographicsignal，sEMG)是从肌肉表面通过电极引导、放大、记录下来的神经肌肉系统活动时的非平稳一维时间序列生物电信号，它与肌肉的活动状态和功能状态之间存在着很大程度的关联，能够反映神经肌肉的活动¨J，因而在临床医学的神经肌肉疾病诊断、在康复医学领域的肌肉功能评价、在体育科学中的疲劳判定以及在智能机器人领域中的多自由度人工假肢、假手控制方面均有重要的理论意义和工程价值。sEMG分析的目的在于寻找有效的数学特征来表征sEMG序列，从而定性乃至定量地研究sEMG与肌肉活性水平之间的

4、关系。小波分析是一种有效的多分辨率时频分析方法，是分析非平稳信号的有力工具。它具有时域局部化和频域局部化的优点，固而有数学显微镜之称。自从上世纪80年代小波被提出以来，许多学者一直致力于小波理论和应用方面的研究工作。特别是其多分辨率分析理论及其快速算法——Mallat【21算法在信号处理、图像处理、模式识别、医学成像、语言人工合成与故障诊断等很多方面得到了广泛而成功的应用。为保持文章的完整性，本文将首先简要地回顾小波变换及多分辨率分析。然后将是本文讨论的重点：小波分析在表面肌电信号(sEMG)分析中的应用。主要内容包括基于小波变换的s

5、EMG信号噪声滤除技术、基于小波变换的肢体动作识别与多自由度人工假肢、假手控制技术、基于小波变换的肌肉功能状态评价技术等方面。这些方面覆盖了当前表面肌电信号研究中的主要热点问题，为sEMG的分析处理和工程应用给出了新的思路。1小波变换小波分析是一种信号的时频局部化分析方法小波母函数沙(t)是一带通滤波器，当其傅立叶变换满足容许条件：收稿日期：2007—10—08基金项目：国家自然科学基金资助项目(60505016)；黑龙江省科技攻关资助项目(GB04AS02—2)；哈尔滨市青年科学基金资助项目(2004AFQXJ017)作者简介：王东

6、岩(1971一)，女，副教授，博士，博士后，主要研究方向：康复机器人通讯作者：孙立宁(1964一)，男，教授，博士生导师，长江学者特聘教授万方数据·432·黑龙江大学自然科学学报第25卷C。：f业丝止d埘<+∞(1)JRW将小波母函数经伸缩和平移后，就可以得到一个小波序列。对于连续尺度情况(CWT)，小波序列构成平方可积空间￡2(尺)的一组正交基。砂¨(t)=南f尘尘1口，b∈Ro≠0(2)40、n，函数厂(t)∈L2(尺)的小波变换定义为：^+蕾髟(口，b)==f砂叫(t)At)dt+(3)其中口称为尺度因子，小尺度的变

7、换包含信号的高频成分，大尺度的变换包含信号的低频成分；b称为平移因子，它是关于时间的系数，决定了小波变换的时域信息。多尺度分析和信号时频分解中，工程上广泛应用的是二进尺度离散小波变换。考虑平方可积尺度函数妒(菇)，满足：妒iI(石)=2享·妒(2‘·菇一I

8、})k∈Z(4)对于每一个固定的歹，由集合{吼。(戈)}构成的尺度空间K为L2(R)的子空间，随着，的增长，有如下关系：％cKc也cK⋯(5)即{K}中的每一个向量也包含在{匕+。}中。则{匕}在{匕+。}中的正交补空间定义为小波空间{形}。小波空间{形}描述了尺度空间{K}中所不

9、能描述的{E+。}中的细节分量。信号以t)的‘，层离散小波分解表示为：』．以f)=∑睨(矗，I

10、})·‰．。(￡)+∑∑w,(jo，I

11、})·咖，。(t)(6)k』2JO^其中，睨和睨分别为小波系数和尺度系数。在多尺度分