无线传输式肌电近红外传感器及其假手控制的研究

摘要

随着残疾人假手自由度数量的增加，单一的生物信息源越来越难以满足多自由度假手对人体动作意图识别的需求。近年来，基于多源生物信息（如肌电、脑电、近红外光谱、加速度、眼跟踪）的融合实现人体多种动作意图的解析和多自由度假手的多模式运动控制成为发展趋势。本文结合“973”课题“操作感知一体化灵巧假肢设计制造与性能评估”（课题编号2011CB013306），研制能够同时采集表面肌电与近红外光谱信号的传感器，基于该传感器研究假手的抓取控制。主要研究内容包括：表面肌电/近红外传感器的设计、传感器的噪声抑制和测试及基于该传感器的假手抓取控制策略等。
　　本文结合当前国内外生机接口的研究现状，确定采用表面肌电信号和近红外信号融合的方式进行生物信号采集。
　　对表面肌电/近红外传感器的设计进行介绍。传感器包含四个模块，分别为表面肌电信号采集模块、近红外信号采集模块、信号处理与通信模块、电源管理模块。对于肌电信号采集模块，基于肌电信号的产生原理以及采集过程中各种噪声源的分析结果，设计相应的信号放大和滤波电路，包括前置放大滤波电路、带通滤波电路、电压抬升电路。对于近红外信号采集模块，通过生物组织光学特性、散射定律和改进的比尔—朗伯定律，选择多波长近红外光作为光源，并设计相应的放大和滤波电路。对于信号处理与通信模块，采用无线传输方式，并设计基于低功耗蓝牙4.1的信号处理模块。
　　为了验证和提高所设计传感器的性能，本部分对传感器进行测试与分析。其中对测试过程中的肌电信号进行频谱有效性分析，包括采用数字滤波算法消除肌电信号的运动伪迹和高频噪声，通过基于LMS自适应滤波和频谱插值的方法滤除工频谐波分量。对于近红外信号采集模块，进行了光源输出功率、稳定性和背景光测试。
　　由于基于模式识别的肌电控制方法需要较多的可用肌群，多数肢残患者难以满足要求。本文提出一种基于肌电信号与近红外信号融合的假手编码控制策略，通过将两枚肌电/近红外传感器分别放置在桡侧腕屈肌和桡侧腕伸肌处，以及对抓取手势的分类与编码，实现常用抓取手势从低维到高维的映射。在此基础上进行假手抓取控制实验，经验证，基于肌电/近红外信号的假手编码控制策略具有较高的成功率和实用性。

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第1章 绪 论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2肌电生理学基础

1.3 近红外光谱检测机理

1.4课题来源及主要研究内容

第2章 肌电/近红外传感器的研制

2.1引言

2.2传感器的总体方案

2.3肌电信号采集模块的设计

2.4近红外模块的设计

2.5信号处理与传输模块

2.6小结

第3章 肌电近红外传感器的噪声抑制

3.1引言

3.2传感器的噪声来源

3.3肌电信号噪声去除

3.4近红外信号噪声去除

3.5小结

第4章 基于肌电近红外传感器的假手控制

4.1引言

4.2传感器测试

4.3基于肌电/近红外信号的假手状态转换控制

4.4基于肌电与近红外的抓取实验

4.5小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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