基于表面肌电信号的人体运动模式识别及稳定性研究

摘要

为了弥补日益增大的医患供需矛盾,现在康复医疗机器人的研究已经成为热点课题,特别是关于主动式下肢康复机器人的研究。基于两侧下肢步态具有对称性的假说,现阶段以表面肌电信号为控制源的主动型康复机器人,其研究对象多数为一侧下肢,但该假说至今仍然存在很大争议。因此,本研究通过搭建一系列实验平台,从多方位定量阐述了两侧下肢对应肌肉活跃时的表面肌电信号的差异性,为其在下肢康复机器人的设计和应用提供有效的参考依据。本论文的研究工作主要包括以下几个方面:
　　(1)首先对表面肌电信号的发展和应用进行了介绍,并详尽说明了表面肌电信号的形成机理、基本特征。然后,对影响表面肌电信号采集质量的各种影响因素进行了探讨并给出了相应的解决方法。
　　(2)介绍了下肢动作模式识别过程中的主要步骤,包括活动段检测、特征值提取以及分类器的设计。并详尽给出了神经网络以及支持向量机这两种被广泛应用于表面肌电信号处理的方法的使用过程。另外,根据本文研究内容的需要,还将现有的步态划分方式依据表面肌电信号的活跃周期进行了修改。
　　(3)搭建了一系列实验平台(包括静态稳定、动态稳定以及非稳定三种实验状态),以便全方位采集被测肌肉的表面肌电信号,然后结合肌肉的相关功能来解释说明两侧下肢对应肌肉的活跃差异。通过讨论分析得出,由两侧下肢构成的运动系统不仅仅是两条支链的简单叠加,而应该看成是一个并联系统,共同作用保证身体的稳定性。
　　(4)在分析处理非稳定实验中表面肌电信号数据的基础上进一步探讨了利用两侧下肢肌肉募集模式来区分稳定与非稳定状态并进一步预测跌倒的方向的可行性。通过与现有的基于加速度传感器的预测跌倒的方法进行对比,该方法能很好的对跌倒进行预测,并且在预测时间上具有较强优势。若将基于表面肌电信号的跌倒预警方式与这种主动式外骨骼康复机器人的使用结合起来,则不仅能达到预警的目的,还能利用外骨骼康复机器人的快速反应实现跌倒的防止。另外,本文的研究成果还对进一步细化患有运动功能障碍的病人的康复评价标准提供了参考的依据。

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第一章 绪 论

§1-1 课题来源、研究目的与意义

§1-2 国内外研究现状

§1-3 本论文主要研究内容及组织结构

第二章 表面肌电信号的产生机理及特征

§2-1 表面肌电信号的产生机理

§2-2 表面肌电信号的特征

§2-3本章小结

第三章 表面肌电信号运动模式识别方法

§3-1信号活动段检测

§3-2 表面肌电信号的特征值

§3-3信号模式识别方法

§3-4本章小结

第四章 下肢肌肉活跃差异测定实验及运动稳定性分析

§4-1 实验内容及方法

§4-2 实验结果

§4-3 分析与讨论

§4-4 本章总结

第五章 结论与展望

§5-1 主要工作及成果

§5-2 研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间所取得的相关科研成果