基于肌電信號(hào)的假手運(yùn)動(dòng)模式識(shí)別及控制系統(tǒng)的研究.pdf

1、肌電假手采用殘肢者殘端肌肉上檢測(cè)出的微弱的，但卻能反映人的運(yùn)動(dòng)意志的肌電位變化作為假手動(dòng)作的控制信號(hào)，它是一種典型的生物機(jī)電一體化系統(tǒng)。目前，肌電假手正朝著多自由度的方向發(fā)展，同時(shí)人們也對(duì)它的舒適性、實(shí)用性、準(zhǔn)確性和靈活性提出了更高的要求。因此，為了解決基于肌電信號(hào)的多自由度假手動(dòng)作模式的識(shí)別問(wèn)題，本文結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“新一代仿人型殘疾人假手系統(tǒng)及理論的研究”(項(xiàng)目編號(hào)：50435040)，重點(diǎn)研究HIT三自由度欠驅(qū)動(dòng)仿人型

2、假手的肌電控制方法，為多自由度假手的商業(yè)化做準(zhǔn)備。
　　本文首先基于PC機(jī)平臺(tái)建立了HIT三自由度仿人型假手控制系統(tǒng)，包括多通道肌電信號(hào)的采集系統(tǒng)、肌電信號(hào)在上位機(jī)內(nèi)的分析處理系統(tǒng)、上位機(jī)與假手之間的通訊系統(tǒng)和基于DSP的假手控制系統(tǒng)。多通道肌電信號(hào)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的建立采用了德國(guó)OttoBock公司的13E125電極和ADLink公司的9118HR數(shù)據(jù)采集卡。在上位機(jī)與假手之間的通訊系統(tǒng)中，從動(dòng)作識(shí)別的準(zhǔn)確率方面考慮給出了兩種

3、控制方式，并制定了上位機(jī)與假手之間的串口通訊協(xié)議。在基于DSP的假手控制系統(tǒng)中，根據(jù)HIT假手特點(diǎn)，采用了基于TMS320F2810芯片的假手控制系統(tǒng)，并完成了假手電機(jī)的控制和同上位機(jī)的通信。
　　肌電信號(hào)在上位機(jī)內(nèi)的分析處理系統(tǒng)是本篇論文的核心，它的研究?jī)?nèi)容包括肌電信號(hào)的特征提取、特征選擇和特征分類(lèi)。在肌電信號(hào)的特征提取部分本文選擇了在信號(hào)處理中使用的時(shí)域分析法AR參數(shù)模型、時(shí)頻域分析法小波變換和非線性分析方法（LZ復(fù)雜度、樣本

4、熵和近似熵）來(lái)提取肌電信號(hào)的特征參數(shù)。并提出不只選擇這些特征參數(shù)、而且將其組合方式也作為特征參數(shù)進(jìn)行選擇，即提出了將時(shí)域特征與時(shí)頻域特征、時(shí)域特征與非線性特征以及時(shí)頻域特征與非線性特征相結(jié)合的特征提取方法。而對(duì)于肌電信號(hào)的特征分類(lèi)器，本文提出使用三層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為分類(lèi)器的基本結(jié)構(gòu)，采用VariableLearningRate(VLR)加動(dòng)量項(xiàng)算法、ResilientBackpropagation(RP或RPROP)算法和Levenbe

5、rg-Marquardt(LM)算法確定不同分類(lèi)器的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。并提出將這三種不同算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組合，建立組合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類(lèi)器，進(jìn)一步提高分類(lèi)器的識(shí)別能力。此外，本文還給出了提高特征分類(lèi)器泛化能力的設(shè)計(jì)方法。
　　針對(duì)建立的HIT三自由度仿人型假手系統(tǒng)，本文進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：基于兩通道肌電信號(hào)，采用4階AR模型特征參數(shù)與LM算法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類(lèi)器的組合方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人手拇指、食指和中指彎曲動(dòng)作高達(dá)99％以上平均識(shí)別率，