基于表面肌電信號(hào)的多自由度假肢控制算法及系統(tǒng)研究.pdf

1、肌電假肢手是重建截肢患者上肢運(yùn)動(dòng)功能的重要技術(shù)方法，它利用殘肢表面肌電信號(hào)（sEMG）對(duì)假肢手關(guān)節(jié)動(dòng)作進(jìn)行控制，對(duì)于改善截肢患者的日常生活及心理具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，多自由度的肌電假肢雖然取得了一定的進(jìn)展，但仍然面臨著自由度少、穩(wěn)定性不夠、實(shí)時(shí)效果差等不足，遠(yuǎn)未達(dá)到人們的期望水平。本文圍繞多自由度肌電假肢手動(dòng)作控制，以設(shè)計(jì)動(dòng)作識(shí)別算法并構(gòu)建實(shí)時(shí)系統(tǒng)為目標(biāo)，從虛擬手平臺(tái)開發(fā)以及多自由度實(shí)時(shí)控制假肢系統(tǒng)展開。其具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

2、　　通過比較不同的模式識(shí)別控制算法，本文選擇了魯棒性較好的的支持向量機(jī)作為實(shí)時(shí)識(shí)別控制算法。為了對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，選擇了五個(gè)常見手勢(shì)（張開、閉合、捏、握瓶、鉤狀）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中利用4個(gè)獨(dú)立式電極從前臂肌肉上采集表面肌電信號(hào)。利用該離線數(shù)據(jù)完成識(shí)別分類器的構(gòu)建及測(cè)試，結(jié)果顯示其整體識(shí)別率可以達(dá)到89.67％。
　　本文采用 Labwindows和 Matlab混合編程完成了虛擬手平臺(tái)的搭建。利用Labwindows和數(shù)據(jù)采集卡完成

3、多通道表面肌電信號(hào)的采集，利用Active控件將數(shù)據(jù)發(fā)送到Matlab工作空間，Matlab則完成模式識(shí)別及虛擬手模型的驅(qū)動(dòng)。其中虛擬手模型利用VR Builder完成。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該虛擬手平臺(tái)可以根據(jù)指令完成不同的手勢(shì)動(dòng)作。實(shí)時(shí)性測(cè)試中發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)耗時(shí)約為175ms，具有較好的實(shí)時(shí)性，能夠適應(yīng)于算法的測(cè)試及訓(xùn)練。同時(shí)，對(duì)支持向量機(jī)進(jìn)行在線測(cè)試，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，整體識(shí)別率約為85%，表明該算法可以較好的適用于實(shí)時(shí)控制。
　　本文建立

4、了基于DSP的機(jī)械假肢手實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。其中機(jī)械假肢手共有五個(gè)可獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的手指，每個(gè)手指有三個(gè)關(guān)節(jié)，由一個(gè)電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。該系統(tǒng)以4通道獨(dú)立式電極作為表面肌電信號(hào)采集電極，DSP作為信號(hào)采集及分析平臺(tái)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的MCU作為下位機(jī)。利用Matlab Coder將已經(jīng)在虛擬手平臺(tái)上驗(yàn)證通過的支持向量機(jī)識(shí)別算法進(jìn)行移植。最后通過仿真測(cè)試得出，該實(shí)時(shí)系統(tǒng)的延時(shí)時(shí)間約為200ms，識(shí)別準(zhǔn)確率可以達(dá)到80%以上。
　　但是由于解剖組織、生理狀

5、態(tài)等因素使肌電信號(hào)表現(xiàn)出較大的個(gè)體差異，傳統(tǒng)的參數(shù)歸一化方法需要大樣本的訓(xùn)練構(gòu)建適合用戶的肌電控制模型，新近發(fā)展起來的一種基于動(dòng)作因素和個(gè)體因素的雙線性模型為肌電假肢控制提供了新的思路。本文利用指總伸肌的綜合強(qiáng)度和肌電活動(dòng)的空間分布特征構(gòu)建雙線性模型，將指總伸肌肌電活動(dòng)從神經(jīng)-肌肉生理機(jī)制的角度分解為用戶相關(guān)的個(gè)人因素矩陣和與動(dòng)作相關(guān)的動(dòng)作模式矩陣。為了驗(yàn)證該模型，該文利用食指、中指、無名指在20%MVC、40%MVC、60%MVC三個(gè)