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一種基于表面肌電的肘關節動作連續辨識方法.pdf

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一種 基于 表面 肘關節 動作 連續 辨識 方法
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摘要
申請專利號:

CN201710801534.8

申請日:

20170907

公開號:

CN107684501A

公開日:

20180213

當前法律狀態:

有效性:

審查中

法律詳情:
IPC分類號: A61H1/02,A61B5/0488,B25J9/00 主分類號: A61H1/02,A61B5/0488,B25J9/00
申請人: 北京機械設備研究所
發明人: 陳遠方,張利劍
地址: 100854 北京市海淀區永定路50號(北京市142信箱208分箱)
優先權: CN201710801534A
專利代理機構: 北京天達知識產權代理事務所(普通合伙) 代理人: 龔頤雯;彭霜
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201710801534.8

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法律狀態公告日:

法律狀態類型:

摘要

本發明涉及一種基于表面肌電的肘關節動作連續辨識方法,該方法的步驟為:肘關節動作相關肌電信號采集與預處理,得到某一時刻的肱二頭肌肌電信號、肱三頭肌肌電信號;對該時刻的肘關節肱二頭肌和肱三頭肌的肌電能量特征進行計算,得到該時刻的肘關節肱二頭肌肌電能量特征、該時刻的肘關節肱三頭肌肌電能量特征;根據該時刻的肘關節肱二頭肌、肱三頭肌肌電能量特征進行該時刻肘關節動作辨識;返回至第二步,進行下一時刻的肘關節動作識別,直至整個辨識過程結束。本發明具有算法簡單、準確度和魯棒性高等優勢特點。可以讓穿戴者根據上肢實時體力等狀況,隨時決定上肢肘關節的屈伸運動幅度,并達到更佳的助力效果與人機體驗。

權利要求書

1.一種基于表面肌電的肘關節動作連續辨識方法,其特征在于,該方法的步驟為:S1、肘關節動作相關肌電信號采集與預處理,得到某一時刻的肱二頭肌肌電信號、肱三頭肌肌電信號;S2、對該時刻的肘關節肱二頭肌和肱三頭肌的肌電能量特征進行計算,得到該時刻的肘關節肱二頭肌肌電能量特征、該時刻的肘關節肱三頭肌肌電能量特征;S3、根據該時刻的肘關節肱二頭肌、肱三頭肌肌電能量特征進行該時刻肘關節動作辨識;S4、返回至步驟S2,進行下一時刻的肘關節動作識別,直至整個辨識過程結束。2.根據權利要求1所述的方法,其特征在于,所述方法中,每隔時間t進行一次肌電信號的采集,并計數1次,直至辨識過程結束,共計數N次,其中N≥2;辨識過程開始后經過n·t時間后的n時刻,肱二頭肌肌電信號為x(n)、肱三頭肌肌電信號為y(n),其中0≤n≤N,且n為整數。3.根據權利要求2所述的方法,其特征在于,所述步驟S1具體為:在開始辨識過程前對肱二頭肌肌電信號、肱三頭肌肌電信號賦予初值;在開始辨識過程后的i時刻,2≤i≤N,通過多通道肌電信號采集裝置連續采集與上肢外骨骼穿戴者肘關節屈伸運動相關的肱二頭肌肌電信號、肱三頭肌肌電信號;通過肌電信號濾波預處理模塊對肱二頭肌肌電信號、肱三頭肌肌電信號進行預處理,濾除干擾和噪聲;最終得到i時刻的預處理后的肱二頭肌肌電信號x(i)和肱三頭肌肌電信號y(i)。4.根據權利要求3所述的方法,其特征在于,所述步驟S1中,在開始辨識過程前對肱二頭肌肌電信號、肱三頭肌肌電信號賦予初值包括:i=0時刻,肱二頭肌肌電信號x(0)、肱三頭肌肌電信號y(0);i=1時刻,肱二頭肌肌電信號x(1)、肱三頭肌肌電信號y(1)、肱二頭肌肌電能量特征E(1)、肱三頭肌肌電能量特征E(1)。5.根據權利要求4所述的方法,其特征在于,所述步驟S1中使用截止頻率為30-350Hz的巴特沃斯帶通濾波器對采集的肌電信號進行濾波,濾除干擾和噪聲。6.根據權利要求4或5所述的方法,其特征在于,所述步驟S2具體為:利用能量特征提取模塊對i時刻的預處理后的肱二頭肌肌電信號x(i)和肱三頭肌肌電信號y(i)進行能量特征的計算;肱二頭肌肌電能量特征為E(i)、肱三頭肌肌電能量特征為E(i)。7.根據權利要求6所述的方法,其特征在于,所述步驟S2中,肱二頭肌肌電能量特征E(i)滿足:E(i)=ψ[x(i-1)]=x(i-1)-x(i)x(i-2);肱三頭肌肌電能量特征E(i)滿足:E(i)=ψ[y(i-1)]=y(i-1)-y(i)y(i-2)。8.根據權利要求7所述的方法,其特征在于,所述步驟S3具體為:S3.1、i時刻的肱二頭肌肌電能量特征相對于i-1時刻的肱二頭肌肌電能量特征的變化量、i時刻的肱三頭肌肌電能量特征相對于i-1時刻的肱三頭肌肌電能量特征的變化量,如果同時小于20%,那么i時刻肘關節停止運動,進行步驟S4,否則進行步驟S3.2;S3.2、如果i時刻的肱二頭肌肌電能量特征相對于i-1時刻的肱二頭肌肌電能量特征增加1.5倍以上,或i時刻的肱三頭肌肌電能量特征相對于i-1時刻的肱三頭肌肌電能量特征增加1.5倍以上,那么進行步驟S3.3,否則進行步驟S4;S3.3、如果i時刻的肱二頭肌肌電能量特征為i時刻的肱三頭肌肌電能量特征的1.5倍以上,那么i時刻肘關節屈曲向上,進行步驟S4,否則進行步驟S3.4;S3.4、如果i時刻的肱三頭肌肌電能量特征為i時刻的肱二頭肌肌電能量特征的1.5倍以上,那么i時刻肘關節伸展向下,進行步驟S4,否則i時刻肘關節停止運動,進行步驟S4。

說明書

技術領域

本發明涉及肘關節動作識別技術領域,尤其涉及一種基于表面肌電的肘關節動作連續辨識方法。

背景技術

人體上肢是人體從事各種復雜、精細運動作業的主要肢體,其運動功能與能力對人體的作業效能有著決定性的影響。上肢外骨骼是一種可穿戴式的助力機構,其在康復醫療領域及軍事領域都有著極其重要的應用價值,比如可以輔助或替代醫師完成上肢康復訓練,輔助人體進行重物搬運或完成上肢參與的具有高重復性的任務。上肢外骨骼是人機強耦合的復雜機電系統,其對人體運動意圖的及時、準確辨識是上肢外骨骼發揮助力效果的基礎,也是實現高效人機協同的關鍵。對于上肢外骨骼來說,肘關節動作的及時、準確辨識是其基本需求。人體上肢很多動作都會涉及到肘關節的屈伸運動,因此肘關節屈伸動作的實時、快速識別對上肢外骨骼技術發展與推動有著極其重要的意義。

表面肌電信號是由人體中樞神經系統控制肌肉收縮而所產生的一種實時生物電信號,它直接、充分地反映了人體的運動意圖。因此,通過表面肌電信號,可實現對人體運動意圖的快速辨識。相比其它辨識方法,采集基于肌電信號的人體運動動作辨識方法可實現更好人機協同性。

目前已有一些基于表面肌電信號的肘關節屈伸動作辨識,比如通過提取肘關節屈伸運動過程中肌電信號的時域或頻域特征,并利用神經網絡、支持向量機等分類器完成對肘關節屈伸動作的辨識。但這些辨識方法是實現對離散動作模式的分類辨識,并沒有實現對肘關節屈伸動作連續辨識,也無法實現對上肢外骨骼肘關節的過程式控制,嚴重限制了上肢外骨骼助力效果。因此需要一種可實現對肘關節屈伸動作連續辨識方法,解決上肢外骨骼中肘關節的過程式控制。相對于離散的動作模式分類辨識,連續的動作辨識可實現對上肢外骨骼過程式的控制,提高上肢外骨骼的控制精度與控制能力,從而可以讓穿戴者根據上肢實時體力等狀況,隨時決定上肢肘關節的屈伸運動幅度,并達到更佳的助力效果與人機體驗。

發明內容

鑒于上述的分析,本發明旨在提供一種基于表面肌電的肘關節動作連續辨識方法,用以解決現有測量裝置無法實時測量且測量過程復雜、穩定性低的問題,及如何提高對上肢外骨骼的控制精度與控制能力,并達到更佳的助力效果與人機體驗。

本發明的目的主要是通過以下技術方案實現的:

一種基于表面肌電的肘關節動作連續辨識方法,該方法的步驟為:

S1、肘關節動作相關肌電信號采集與預處理,得到某一時刻的肱二頭肌肌電信號、肱三頭肌肌電信號;

S2、對該時刻的肘關節肱二頭肌和肱三頭肌的肌電能量特征進行計算,得到該時刻的肘關節肱二頭肌肌電能量特征、該時刻的肘關節肱三頭肌肌電能量特征;

S3、根據該時刻的肘關節肱二頭肌、肱三頭肌肌電能量特征進行該時刻肘關節動作辨識;

S4、返回至步驟S2,進行下一時刻的肘關節動作識別,直至整個辨識過程結束。

方法中,每隔時間t進行一次肌電信號的采集,并計數1次,直至辨識過程結束,共計數N次,其中N≥2;

辨識過程開始后經過n·t時間后的n時刻,肱二頭肌肌電信號為x(n)、肱三頭肌肌電信號為y(n),其中0≤n≤N,且n為整數。

步驟S1具體為:

在開始辨識過程前對肱二頭肌肌電信號、肱三頭肌肌電信號賦予初值;在開始辨識過程后的i時刻,2≤i≤N,通過多通道肌電信號采集裝置連續采集與上肢外骨骼穿戴者肘關節屈伸運動相關的肱二頭肌肌電信號、肱三頭肌肌電信號;通過肌電信號濾波預處理模塊對肱二頭肌肌電信號、肱三頭肌肌電信號進行預處理,濾除干擾和噪聲;最終得到i時刻的預處理后的肱二頭肌肌電信號x(i)和肱三頭肌肌電信號y(i)。

步驟S1中,在開始辨識過程前對肱二頭肌肌電信號、肱三頭肌肌電信號賦予初值包括:

i=0時刻,肱二頭肌肌電信號x(0)、肱三頭肌肌電信號y(0);

i=1時刻,肱二頭肌肌電信號x(1)、肱三頭肌肌電信號y(1)、肱二頭肌肌電能量特征Ex(1)、肱三頭肌肌電能量特征Ey(1)。

步驟S1中使用截止頻率為30-350Hz的巴特沃斯帶通濾波器對采集的肌電信號進行濾波,濾除干擾和噪聲。

步驟S2具體為:

利用能量特征提取模塊對i時刻的預處理后的肱二頭肌肌電信號x(i)和肱三頭肌肌電信號y(i)進行能量特征的計算;肱二頭肌肌電能量特征為Ex(i)、肱三頭肌肌電能量特征為Ey(i)。

步驟S2中,肱二頭肌肌電能量特征Ex(i)滿足:

Ex(i)=ψ[x(i-1)]=x2(i-1)-x(i)x(i-2);

肱三頭肌肌電能量特征Ey(i)滿足:

Ey(i)=ψ[y(i-1)]=y2(i-1)-y(i)y(i-2)。

步驟S3具體為:

S3.1、i時刻的肱二頭肌肌電能量特征相對于i-1時刻的肱二頭肌肌電能量特征的變化量、i時刻的肱三頭肌肌電能量特征相對于i-1時刻的肱三頭肌肌電能量特征的變化量,如果同時小于20%,那么i時刻肘關節停止運動,進行步驟S4,否則進行步驟S3.2;

S3.2、如果i時刻的肱二頭肌肌電能量特征相對于i-1時刻的肱二頭肌肌電能量特征增加1.5倍以上,或i時刻的肱三頭肌肌電能量特征相對于i-1時刻的肱三頭肌肌電能量特征增加1.5倍以上,那么進行步驟S3.3,否則進行步驟S4;

S3.3、如果i時刻的肱二頭肌肌電能量特征為i時刻的肱三頭肌肌電能量特征的1.5倍以上,那么i時刻肘關節屈曲向上,進行步驟S4,否則進行步驟S3.4;

S3.4、如果i時刻的肱三頭肌肌電能量特征為i時刻的肱二頭肌肌電能量特征的1.5倍以上,那么i時刻肘關節伸展向下,進行步驟S4,否則i時刻肘關節停止運動,進行步驟S4。

本發明有益效果如下:

1、本發明采用循環測量的方法,以測量時差為步長,測算肌電能量特征,近似實時的反映了肘部肌電的運動特征,對肘關節的動作進行連續辨識;

2、本發明通過肌電能量特征來描述肘部肌肉的作用,并結合相應的計算公式,提高了測量方法的準確度和魯棒性,相對現有測量方法,提高了測量的穩定性,保證了測量的連續、實時、有效,可實現對上肢外骨骼過程式的控制,提高上肢外骨骼的控制精度與控制能力,從而可以讓穿戴者根據上肢實時體力等狀況,隨時決定上肢肘關節的屈伸運動幅度,并達到更佳的助力效果與人機體驗;

3、本發明根據對肌電能量特征的變化來判斷肘部的運動,使得測量過程更加簡單直觀,避免了現有測量方法繁瑣的測量過程引起的誤差累計和時效滯后。

本發明的其他特征和優點將在隨后的說明書中闡述,并且從說明書中變得顯而易見,或者通過實施本發明而了解。本發明的目的和其他優點可通過在所寫的說明書、權利要求書、以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。

附圖說明

附圖僅用于示出具體實施例的目的,而并不認為是對本發明的限制,在整個附圖中,相同的參考符號表示相同的部件。

圖1為一種基于表面肌電的肘關節動作連續辨識方法的流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖來具體描述本發明的優選實施例,其中,附圖構成本申請一部分,并與本發明的實施例一起用于闡釋本發明的原理。

一種基于表面肌電的肘關節動作連續辨識方法,該方法的步驟為:

S1、肘關節動作相關肌電信號采集與預處理,得到某一時刻的肱二頭肌肌電信號、肱三頭肌肌電信號:

每隔時間t進行一次肌電信號的采集,并計數1次,直至辨識過程結束,共計數N次,其中N≥2;

辨識過程開始后經過n·t時間后的n時刻,肱二頭肌肌電信號為x(n)、肱三頭肌肌電信號為y(n),其中0≤n≤N,且n為整數。

在開始辨識過程前對肱二頭肌肌電信號、肱三頭肌肌電信號賦予初值;在開始辨識過程后的i時刻,2≤i≤N,通過多通道肌電信號采集裝置連續采集與上肢外骨骼穿戴者肘關節屈伸運動相關的肱二頭肌肌電信號、肱三頭肌肌電信號;通過肌電信號濾波預處理模塊對肱二頭肌肌電信號、肱三頭肌肌電信號進行預處理,濾除干擾和噪聲;最終得到i時刻的預處理后的肱二頭肌肌電信號x(i)和肱三頭肌肌電信號y(i)。

在開始辨識過程前對肱二頭肌肌電信號、肱三頭肌肌電信號賦予初值包括:

i=0時刻,肱二頭肌肌電信號x(0)、肱三頭肌肌電信號y(0);

i=1時刻,肱二頭肌肌電信號x(1)、肱三頭肌肌電信號y(1)、肱二頭肌肌電能量特征Ex(1)、肱三頭肌肌電能量特征Ey(1)。

肌電信號在本質上是一種具有非平穩特性的生理信號,其有效頻帶在20-500Hz范圍內,使用截止頻率為30-350Hz的巴特沃斯帶通濾波器對采集的肌電信號進行濾波,濾除干擾和噪聲。

S2、對i時刻的肘關節肱二頭肌和肱三頭肌的肌電能量特征進行計算,得到該時刻的肘關節肱二頭肌肌電能量特征、該時刻的肘關節肱三頭肌肌電能量特征:

利用能量特征提取模塊對i時刻的預處理后的肱二頭肌肌電信號x(i)和肱三頭肌肌電信號y(i)進行能量特征的計算;肱二頭肌肌電能量特征為Ex(i)、肱三頭肌肌電能量特征為Ey(i)。

肱二頭肌肌電能量特征Ex(i)滿足:

Ex(i)=ψ[x(i-1)]=x2(i-1)-x(i)x(i-2);

肱三頭肌肌電能量特征Ey(i)滿足:

Ey(i)=ψ[y(i-1)]=y2(i-1)-y(i)y(i-2)。

S3、根據i時刻的肘關節肱二頭肌、肱三頭肌肌電能量特征進行該時刻肘關節動作辨識:

S3.1、i時刻的肱二頭肌肌電能量特征相對于i-1時刻的肱二頭肌肌電能量特征的變化量、i時刻的肱三頭肌肌電能量特征相對于i-1時刻的肱三頭肌肌電能量特征的變化量,如果同時小于20%,那么i時刻肘關節停止運動,進行步驟S4,否則進行步驟S3.2;

S3.2、如果i時刻的肱二頭肌肌電能量特征相對于i-1時刻的肱二頭肌肌電能量特征增加1.5倍以上,或i時刻的肱三頭肌肌電能量特征相對于i-1時刻的肱三頭肌肌電能量特征增加1.5倍以上,那么進行步驟S3.3,否則進行步驟S4;

S3.3、如果i時刻的肱二頭肌肌電能量特征為i時刻的肱三頭肌肌電能量特征的1.5倍以上,那么i時刻肘關節屈曲向上,進行步驟S4,否則進行步驟S3.4;

S3.4、如果i時刻的肱三頭肌肌電能量特征為i時刻的肱二頭肌肌電能量特征的1.5倍以上,那么i時刻肘關節伸展向下,進行步驟S4,否則i時刻肘關節停止運動,進行步驟S4。

由于上肢外骨骼自身重量、阻尼等阻礙作用,穿戴者肘關節在任意位置開始運動時需要用一定力來克服該阻力,在該時刻下的肱二頭肌或肱三頭肌活躍強度會顯著增大,也就是其能量特征值會顯著增大。而且,肘關節任意位置開始屈曲向上和伸展向下運動過程中肱二頭肌和肱三頭肌所起的作用具有顯著區別,即肘關節屈曲向上運動過程中由肱二頭肌占據主導作用,而伸展向下運動過程中由肱三頭肌占據主導作用。因此,可通過肘關節在任意位置開始運動中肱二頭肌與肱三頭肌的能量特征情況來實現對肘關節屈伸動作的連續識別。穿戴者肘關節從任意位置開始運動時,由于上肢外骨骼自身阻力作用,肱二頭肌或肱三頭肌的能量特征值增大且為前一時刻的k倍時(k一般為1.2至3之間),當肱二頭肌能量特征值高于肱三頭肌能量特征值的1.2至5倍時,則肘關節開始屈曲向上;當肱三頭肌能量特征值高于肱二頭肌能量特征值的1.2至5倍時,則肘關節開始伸展向下。肘關節從運動過程中,肱二頭肌和肱三頭肌的能量特征波動幅度同時小于20%時,則判斷肘關節停止運動。由于動作辨識可以從任意位置開始,因此實現了連續辨識。

S4、如果辨識過程沒有結束,返回至步驟S2,進行i+1時刻的肘關節動作識別,直至整個辨識過程結束。

綜上所述,本發明實施例提供了一種基于表面肌電的肘關節動作連續辨識方法,本發明充分利用上肢外骨骼自身重量、阻尼等阻礙作用,并通過對肘關節相關肌肉肌電信號能量特征實時提取與分析,完成對肘關節動作的連續辨識,該辨識方法具有算法簡單、準確度與魯棒性高。且提取的能量特征同時包含了肌電信號的頻率與幅值信息,靜息狀態與動作狀態下能量特征具有較高的可區分性和可靠性,尤其對于信噪比較低的肌電信號。

以上所述,僅為本發明較佳的具體實施方式,但本發明的保護范圍并不局限于此,任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內,可輕易想到的變化或替換,都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。

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