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基于表面肌电信号定量辨识的上肢康复机器人运动控制

作　者: 孙欣
导　师: 吴冬梅
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: sEMG 肘关节角度特征提取定量辨识机器人运动控制
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 299次
引　用: 3次
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内容摘要

表面肌电信号(surface electromyography signal,sEMG)能够在一定程度上反映神经肌肉的活动,在临床医学的神经肌肉疾病诊断,康复医学领域的肌肉功能评价和假肢控制方面均有重要的实用价值。它的关节运动信息识别已经得到一定的发展和应用。本文针对偏瘫患者单侧肢体运动功能受损的特点,研究基于sEMG的上肢动作定量辨识,用于理解患者运动意图,从而为患者提供自主性的运动控制。重点探讨sEMG特征提取和定量辨识两个方面关键技术。分析sEMG的特点和影响因素,确定关节角度信号的测量方法,构建了信号采集系统,系统包括sEMG传感器、角度传感器、编码器、表面肌电图仪。设计信号处理程序和采集界面,并完成40位受试者的sEMG和肘关节角度信号的采集。在对采集的原始sEMG进行陷波、滤波等预处理的基础上,对检测电极对的距离、肘部屈伸动作的快慢、手部负荷的大小、静态时肘关节的弯曲角度对sEMG信号的影响进行分析;提取sEMG的积分肌电值、均方根值、平均功率频率和中位频率,为sEMG定量辨识提供基础。根据sEMG和肘关节运动位置变化的关联性,将选定的sEMG特征值作为BP神经网络的输入,将处理后的肘关节角度信号作为神经网络的输出,构建了神经网络,并进行训练,从而建立sEMG与关节角度信号的映射关系。预测测试集的角度信号,对不同特征值情况下的预测效果进行比对。同时,对于运动速度和个体差异对辨识结果的影响进行分析。利用实验室现有5DOF外骨骼式上肢康复机器人系统进行运动控制实验,将采集到的sEMG输入已建立的sEMG与关节角度信号的定量关系模型中,输出预测关节角度,并辨别运动意图,进行运动规划。实验结果表明机器人手臂的跟随效果、sEMG的定量辨识效果良好,有助于将表面肌电信号的研究推向康复机器人研发的实际应用阶段。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章绪论  8-16
  1.1 课题的研究目的和意义  8-9
  1.2 上肢康复机器人研究发展现状  9-12
  1.3 sEMG的动作辨识发展现状  12-14
    1.3.1 sEMG特征提取研究现状  12-13
    1.3.2 sEMG运动模式分类研究现状  13-14
  1.4 主要研究内容  14-16
第2章 sEMG和关节角度的采集  16-27
  2.1 引言  16
  2.2 sEMG的产生机理和影响因素  16-18
  2.3 关节角度信号的测量方法  18
  2.4 信号采集系统介绍  18-22
  2.5 信号采集实验  22-26
    2.5.1 实验步骤及细节设定  22-23
    2.5.2 sEMG检测时的注意事项  23-24
    2.5.3 信号采集实验结果  24-26
  2.6 本章小结  26-27
第3章表面肌电信号的特征提取  27-36
  3.1 引言  27
  3.2 sEMG的预处理  27-28
  3.3 sEMG的特征初步分析  28-31
  3.4 sEMG的特征提取  31-35
    3.4.1 时域分析  31-33
    3.4.2 频域分析  33-35
  3.5 本章小结  35-36
第4章表面肌电信号的定量辨识  36-50
  4.1 引言  36
  4.2 模式分类和定量辨识方法的分析  36-37
  4.3 神经网络的建立和特征矢量和选取  37-41
    4.3.1 BP 神经网络的建立  37-39
    4.3.2 sEMG特征矢量的选择  39-41
  4.4 sEMG-肘关节角度的定量关系模型  41-46
    4.4.1 同一受试者运动节奏保持一致  41-43
    4.4.2 同一受试者运动节奏不一致  43-44
    4.4.3 通用型角度定量辨识的尝试  44-46
  4.5 sEMG与关节运动加速度、速度的关系  46-48
    4.5.1 sEMG与肘关节运动加速度之间的关系  46-47
    4.5.2 sEMG与肘关节运动速度之间的关系  47-48
  4.6 本章小结  48-50
第5章上肢康复机器人的运动控制  50-56
  5.1 引言  50
  5.2 上肢康复机器人简介  50-52
  5.3 sEMG定量辨识的运动控制方法  52-53
  5.4 sEMG定量辨识的实验验证  53-55
  5.5 本章小结  55-56
结论  56-57
参考文献  57-60
攻读学位期间发表的学术论文  60-62
致谢  62

基于表面肌电信号定量辨识的上肢康复机器人运动控制

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