肌電控制接口的魯棒特征與用戶自適應(yīng)性研究.pdf

1、關(guān)于肌電控制接口的研究已有60多年的歷史。相比傳統(tǒng)的基于幅值的方法，基于模式識(shí)別的方法能夠使殘肢患者直觀自然地控制假肢手，因此更適合于多自由度假肢手的控制。在實(shí)驗(yàn)室條件下，現(xiàn)有的模式識(shí)別控制算法對(duì)10類動(dòng)作的識(shí)別率一般在90%以上。但目前的商業(yè)多自由度假肢手仍然主要采用基于幅值的控制方法，形成這一反差的一個(gè)主要原因是實(shí)驗(yàn)室條件與假肢手的日常使用環(huán)境并不相同。在假肢手的實(shí)際使用中，對(duì)于一個(gè)給定的動(dòng)作模式，其肌電信號(hào)會(huì)因來(lái)自人（假肢使用者）

2、，機(jī)（物理系統(tǒng)）兩方面的各種因素影響而產(chǎn)生變化，造成模式識(shí)別控制接口的性能下降。針對(duì)這一問(wèn)題，本文分別對(duì)作用力變化、肌電信號(hào)非平穩(wěn)性以及電極偏移這三種因素對(duì)控制接口性能的影響進(jìn)行了研究，具體工作為：
　　針對(duì)執(zhí)行動(dòng)作時(shí)作用力變化對(duì)控制接口性能的影響，本文依據(jù)前臂肌肉肌電信號(hào)幅值與作用力之間的近似線性關(guān)系，應(yīng)用歸一化方法降低不同作用力肌電信號(hào)間的差異，提出了兩種對(duì)作用力變化具有魯棒性的特征。三種作用力等級(jí)（20%，50%，80%最大

3、自主收縮）的肌電數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)的時(shí)域特征，所提特征能顯著提高控制接口在訓(xùn)練與測(cè)試數(shù)據(jù)作用力等級(jí)不同時(shí)的動(dòng)作識(shí)別率。該方法使控制接口在不擴(kuò)大訓(xùn)練數(shù)據(jù)范圍的情況下，仍能保持對(duì)作用力變化的魯棒性。
　　針對(duì)肌電信號(hào)的非平穩(wěn)性導(dǎo)致的控制接口識(shí)別率隨時(shí)間下降問(wèn)題，本文采集了8個(gè)健肢受試者與2個(gè)殘肢受試者連續(xù)11天的肌電數(shù)據(jù)，分析了訓(xùn)練與測(cè)試數(shù)據(jù)分別在相隔一天與三天兩種條件下，錯(cuò)誤率隨時(shí)間的變化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這兩種錯(cuò)誤率均隨時(shí)

4、間推移呈指數(shù)函數(shù)形式下降，最后趨近于訓(xùn)練與測(cè)試數(shù)據(jù)取自同一天時(shí)的錯(cuò)誤率。進(jìn)一步的分析表明在實(shí)驗(yàn)期間，受試者執(zhí)行同類動(dòng)作時(shí)，其肌電信號(hào)的一致性得到了增強(qiáng)。這一結(jié)果說(shuō)明在控制接口的使用過(guò)程中，肌電信號(hào)的質(zhì)量會(huì)因用戶的自適應(yīng)（學(xué)習(xí)）能力而得到提高；當(dāng)利用自適應(yīng)階段以后的信號(hào)訓(xùn)練分類器時(shí)，控制接口識(shí)別率隨時(shí)間下降的現(xiàn)象會(huì)得到顯著改善。
　　針對(duì)在電極穿戴過(guò)程中的電極偏移問(wèn)題，本文改進(jìn)傳統(tǒng)灰度共生矩陣算法，使其具備列偏移不變性，并將其與高密

5、度電極相結(jié)合，提取肌電信號(hào)的空間分布信息作為肌電特征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在電極首尾相連環(huán)繞于受試者前臂的條件下，所提特征對(duì)偏移距離等于電極間距的垂直偏移（偏移方向垂直于肌肉纖維）具有不變性，從而可控制垂直偏移對(duì)接口性能的影響，使得偏移距離為電極間距一半時(shí)，垂直偏移對(duì)接口性能的影響達(dá)到最大。同時(shí)，當(dāng)偏移距離等于電極間距一半時(shí)，所提特征的識(shí)別率顯著優(yōu)于現(xiàn)有的三種魯棒特征的結(jié)果（時(shí)域自回歸TDAR，共空域模式CSP，方差圖Variog）。結(jié)合高密