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。在實驗室條件下，現(xiàn)有的模式識別控制算法對10類動作的識別率一般在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主要原因是實驗室條件與假肢手的日常使用環(huán)境并不相同。在假肢手的實際使用中，對于一個給定的動作模式，其肌電信號會因來自人（假肢使用者）

2、，機（物理系統(tǒng)）兩方面的各種因素影響而產(chǎn)生變化，造成模式識別控制接口的性能下降。針對這一問題，本文分別對作用力變化、肌電信號非平穩(wěn)性以及電極偏移這三種因素對控制接口性能的影響進行了研究，具體工作為：
　　針對執(zhí)行動作時作用力變化對控制接口性能的影響，本文依據(jù)前臂肌肉肌電信號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間的差異，提出了兩種對作用力變化具有魯棒性的特征。三種作用力等級（20%，50%，80%最大

3、自主收縮）的肌電數(shù)據(jù)測試結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)的時域特征，所提特征能顯著提高控制接口在訓練與測試數(shù)據(jù)作用力等級不同時的動作識別率。該方法使控制接口在不擴大訓練數(shù)據(jù)范圍的情況下，仍能保持對作用力變化的魯棒性。
　　針對肌電信號的非平穩(wěn)性導致的控制接口識別率隨時間下降問題，本文采集了8個健肢受試者與2個殘肢受試者連續(xù)11天的肌電數(shù)據(jù)，分析了訓練與測試數(shù)據(jù)分別在相隔一天與三天兩種條件下，錯誤率隨時間的變化情況。實驗結(jié)果表明這兩種錯誤率均隨時

4、間推移呈指數(shù)函數(shù)形式下降，最后趨近于訓練與測試數(shù)據(jù)取自同一天時的錯誤率。進一步的分析表明在實驗期間，受試者執(zhí)行同類動作時，其肌電信號的一致性得到了增強。這一結(jié)果說明在控制接口的使用過程中，肌電信號的質(zhì)量會因用戶的自適應(yīng)（學習）能力而得到提高；當利用自適應(yīng)階段以后的信號訓練分類器時，控制接口識別率隨時間下降的現(xiàn)象會得到顯著改善。
　　針對在電極穿戴過程中的電極偏移問題，本文改進傳統(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，提取肌電信號的空間分布信息作為肌電特征。實驗結(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接口性能的影響，使得偏移距離為電極間距一半時，垂直偏移對接口性能的影響達到最大。同時，當偏移距離等于電極間距一半時，所提特征的識別率顯著優(yōu)于現(xiàn)有的三種魯棒特征的結(jié)果（時域自回歸TDAR，共空域模式CSP，方差圖Variog）。結(jié)合高密