基于肌电信号的人体下肢运动信息获取技术研究(I)

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1、浙江大学计算机科学与技术学院博士学位论文基于肌电信号的人体下肢运动信息获取技术研究姓名：吴剑锋申请学位级别：博士专业：数字化艺术与设计指导教师：孙守迁20080701浙江大学博士学位论文摘要在现实社会中，受到各种主观和客观因素的限制，人的肢体可能会失去部分或全部的行动能力，这不仅影响病患的心理和生理，同时带来复杂的社会问题。如何帮助行动受限的人群恢复其独立生活的能力，已经成为当今医疗康复和养老助残等领域的重要研究课题。智能肢体动作辅助系统可以有效改善或解决这一问题，其基本目标是：在增强人类现有运动能力的同时，保留人的灵活性和直接操作的感觉。因此如何有效而精确地实时获取使用者的肢

2、体运动信息成为目前急需解决的问题。本文重点关注下肢运动，以能够直接反映人体肌肉功能状态的肌电信号为手段，对人体动作实现的“内因”一一肌肉力和关节力矩的计算以及“外现”一一动作识别预测两个方面进行了研究．论文的主要研究内容包括：1．对国内外当前的运动信息获取技术方法及其发展趋势做了综述分析，指出各自的优点及不足之处，阐述本文的研究方法和内容。2．通过实验研究不同下肢动作模式与肌电信息的对应关系：利用动作捕获系统获取下肢运动过程中关节角度变化；利用肌电信号分析相关肌肉活动情况，对起立、行走和上下楼梯等最常见的日常下肢动作进行实验分析．实验结果表明，不同的下肢动作模式对应不同的肌肉兴

3、奋时间和兴奋程度，为后文的运动信息获取提供了实践基础。3．研究基于支持向量多元分类的下肢运动模式识别技术：首先，阐明基于肌电信号的下肢动作模式识别的目标及难点；其次，在实验研究的基础上，对肌电信号特征提取做分析，并建立模式识别的特征向量空间；另外，在识别策略上采用“数据流分割”和“移动窗”的概念，降低计算复杂度，提高算法的鲁棒性；在识别算法的建立上，提出基于核聚类简化的支持向量多元分类改良算法；最后，以下肢动作模式识别实验来验证算法的有效性。4．研究基于肌电信号的肌肉力和关节力矩预测技术：首先，对当前基于肌电信息的肌肉力和关节力矩算法进行分析，指出基于单块肌肉受激行为生理特征的

4、肌肉力和关节力矩计算方法的优点；其次，建立基于肌肉生理模型、肌肉骨骼几何模型和多刚体动力学模型三个层次的人体力学分析模型；然后，提出基于肌肉力一电关系的肌肉力和关节力矩预测模型；最后以实验验证该模型的有效性．m浙江大学博士学位论文摘要5．实现一个基于肌电信号的运动信息检测与反馈原型系统，对自主开发的老年人起立辅助座椅进行功能分析和评价，并验证本文所提出的理论、方法和技术的正确性与可行性．关键词：运动信息；肌电信号；特征提取；模式识别；肌肉力；关节力矩；智能辅助lV浙江大学博士学位论文Ab!她ctAbstractThehumanbodymaybelostmovementabili

5、tybecauseofVarioussubjectiVeandobjectivelimits．1tnotonlyafl’cctsthepatients’psychologicalandphysicalstatebutalsobring_ScompIexsocialprobIems．Howtohelpth锄liVeindependentlyhaSbecomeVe口import卸tnowadays．Theconceptofintclligentlimb—assiStedSyStemaimsatenhancinghumanmovementcapabiIities柚drctaining

6、thefle灿biIityand佗elingfordirectope阳tionatthes锄etime．Sohowtoobtainthelimb’sinfo册“one懋ectiVelyandpreciSelyinreal-timebecomesurgentatpresent．EMGsignalsc柚direCtlyreflecthum卸muscles’内nction，basedonthatthedissertationmainlyconcen臼锄es伽twoimportantcontents．oneishowtocalculatemusclefo佗eandjointtorque

7、s，andtheotherishowt0佗cognizeandpredictthehumanmotions．7rhemaincontentsofthisdisse似ionareshownasf0¨owing：1．Summarizedthetendencyandmethods内racquiringmotionin内mationathomeandabroad．TheadVantages拥ddisadVantageswerepointed0ut．Na门mtedthemainresearchcont