基于表面肌電信號(hào)的人體下肢動(dòng)作識(shí)別及關(guān)節(jié)力矩分析研究.pdf

1、表面肌電信號(hào)是指從肌肉表面通過(guò)電極引導(dǎo)而記錄下來(lái)的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)活動(dòng)時(shí)的生物電信號(hào)，它與肌肉的活動(dòng)狀態(tài)和功能狀態(tài)之間存在著不同程度的關(guān)聯(lián)性，不同的肢體動(dòng)作由不同的肌肉收縮模式產(chǎn)生，肌電信號(hào)特征也存在差異，通過(guò)對(duì)表面肌電信號(hào)特征進(jìn)行分析就可以區(qū)分出不同的動(dòng)作模式。表面肌電信號(hào)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到臨床醫(yī)學(xué)、運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)、生物醫(yī)學(xué)與工程等諸多領(lǐng)域，在智能假肢方面已經(jīng)成為功能性電刺激的理想控制信號(hào)。本文通過(guò)對(duì)采集的表面肌電信號(hào)(sEMG)信號(hào)進(jìn)行分析處理，

2、識(shí)別出運(yùn)動(dòng)者的運(yùn)動(dòng)意圖，研究肌電信號(hào)與關(guān)節(jié)力矩之間的關(guān)系，為智能假肢控制做基礎(chǔ)。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴利用表面電極獲取下肢運(yùn)動(dòng)肌電信號(hào)，設(shè)計(jì)采集10位測(cè)試人員人體腿部的股直肌、股內(nèi)側(cè)肌、股外側(cè)肌、股二頭肌、半腱肌、脛骨前肌、內(nèi)側(cè)腓腸肌、外側(cè)腓腸肌、比目魚肌九塊肌肉在上下臺(tái)階和上下斜坡時(shí)的表面肌電信號(hào)。通過(guò)采用小波閾值去噪方法，對(duì)小波分解后的各層系數(shù)中模大于和小于某閾值的系數(shù)分別處理，然后對(duì)處理完的小波系數(shù)再進(jìn)行反變換，重構(gòu)出

3、經(jīng)過(guò)去噪后的信號(hào)。⑵基于DB、Dmey和Bior三種不同的母小波，采用離散小波變換通過(guò)不同的分析方法對(duì)表面肌電信號(hào)進(jìn)行多尺度分解，通過(guò)對(duì)特征值的分析比較，對(duì)單一特征值進(jìn)行融合分析構(gòu)成特征向量，使各單一特征的優(yōu)點(diǎn)互補(bǔ)，增強(qiáng)了特征值的表征能力，從而有效提高了模式分類的正確率。⑶運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)特征矢量進(jìn)行人體運(yùn)動(dòng)模式的識(shí)別，通過(guò)將單一特征值和融合特征值分別輸入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，得出多特征融合與單特征集的

4、表征能力比較。⑷以表面肌電信號(hào)為生物學(xué)輸入信號(hào)計(jì)算膝關(guān)節(jié)肌肉力，從正反動(dòng)力學(xué)兩方面進(jìn)行研究，逆動(dòng)力學(xué)使用運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)、測(cè)力臺(tái)數(shù)據(jù)等通過(guò)力及力矩平衡方程得到關(guān)節(jié)合力矩。正動(dòng)力學(xué)首先使用表面肌電信號(hào)計(jì)算得到肌肉激活度,使用運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)和個(gè)性化的人體骨骼肌肉模型計(jì)算得到肌肉長(zhǎng)度、收縮速度和力臂。然后將肌肉激活度、肌肉長(zhǎng)度、收縮速度代入肌肉收縮模型得到肌肉力代入力臂后得到肌肉力矩。最后將逆動(dòng)力學(xué)得到的關(guān)節(jié)合力矩與正動(dòng)力學(xué)得到的關(guān)節(jié)肌肉合力矩進(jìn)行比較