[發(fā)明專利]一種基于表面肌電信號連續(xù)估計人體關(guān)節(jié)角度的方法

有效

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• 申請日: 2018-07-28
• 公開（公告）號: CN108874149B
• 公開（公告）日: 2020-06-02
• 發(fā)明（設計）人: 張琴;杜進;熊蔡華
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學
• 主分類號: G06F3/01
• 分類號: G06F3/01;G06K9/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 梁鵬;曹葆青

本發(fā)明屬于人機交互領(lǐng)域，并公開了一種基于表面肌電信號連續(xù)估計人體關(guān)節(jié)角度的方法。該方法包括下列步驟：(a)選取待預測對象的關(guān)節(jié)部位，采集其關(guān)節(jié)部位的肌電信號及關(guān)節(jié)角度信號；(b)對采集的肌電信號和關(guān)節(jié)角度信號分別進行預處理；(c)利用預處理后的肌電信號和關(guān)節(jié)角度信號，采用稀疏偽輸入高斯過程回歸算法構(gòu)建關(guān)于肌電信號和關(guān)節(jié)角度信號的預測模型；(d)采集待預測對象的實時肌電信號輸入預測模型中，以此獲得所需的關(guān)節(jié)角度信號。通過本發(fā)明，以連續(xù)的方式實現(xiàn)表面肌電信號映射到關(guān)節(jié)角度上的運動，保證連續(xù)估計的實時性，提高預測準確性，降低計算復雜度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于人機交互領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于表面肌電信號連續(xù)估計人體關(guān)節(jié)角度的方法。

背景技術(shù)

“人機自然交互”作為其中重要的組成模塊備受人們的關(guān)注，人體表面肌電信號(sEMG)因其易于采集、包含人體運動意圖信息及其信號發(fā)生超前于運動的特點，故可作為人機交互的接口，用以實現(xiàn)人機自然交互。目前以表面肌電信號為人機接口的商業(yè)設備通常受限于運動范圍，感官反饋和直觀控制方面的有限功能，盡管設備的機械結(jié)構(gòu)具有多自由度，能夠完成靈活的動作，但受制于人體意圖識別的可靠性，人機交互設備不得不采用簡單的閾值控制進行開關(guān)控制或者通過模式識別進行有限的、離散的模式控制。

目前，模式識別方法對人體運動意圖的預估體現(xiàn)在對預先設定模式的分類結(jié)果上，模式識別的方法通常被認為具有以下的兩個特點：①控制的離散性，模式識別的結(jié)果為N種預先設定的類別之一，其目標空間是一個離散且固定的空間{類別1，類別2……類別N}，僅為人體連續(xù)的運動空間中無數(shù)采樣點中的極少部分特殊樣本；②控制的順序性，模式識別的結(jié)果不會同時屬于兩個類別，所以模式識別結(jié)果的執(zhí)行過程是順序性的；模式識別的這兩個特點是其與人體自然運動的核心差異所在，人體能夠在目標空間連續(xù)的控制多種運動模式(不在預先設定的模式內(nèi))，也能在模式A執(zhí)行的過程中隨時切換至模式B，也可以在連續(xù)的運動空間中對模式A進行細微調(diào)整，因此，盡管模式識別能夠準確識別多種模式，但是相對于人體自然的運動而言，采用模式識別這種方法實現(xiàn)人機交互是不自然的，主要是因其目標空間是離散的，而人體得到自然運動是一個連續(xù)過程，故模式識別控制的順序性不符合人體的自然運動。

連續(xù)估計的方法能有效克服模式識別在人體運動意圖預估上的缺點，成為了在連續(xù)運動空間實現(xiàn)自然人機交互的一種方式。但是，由于連續(xù)估計的方法將預測范圍擴展至整個關(guān)節(jié)的連續(xù)運動空間而不是預先設定的某些運動模式，所以連續(xù)估計的方法對算法有以下兩點要求：(1)高非線性映射能力，高的非線性映射能力能提高在人體連續(xù)的運動空間預測的準確性；(2)算法輸出時低的計算復雜度，低的計算復雜度能保證人機交互的實時性，其中，高斯過程回歸方法是連續(xù)估計的方法，具有非參數(shù)的特性，不需要對目標函數(shù)作假設，避免了建立從肌電到運動的生理模型的復雜過程，其次，通過引入核函數(shù)，對非線性問題具有較好的回歸效果，適合處理肌電到運動之間的非線性映射關(guān)系；但是，其僅僅適合小樣本回歸的特性，傳統(tǒng)的高斯過程回歸無法保證人體多關(guān)節(jié)角度在線預測的實時性，也就是說，目前采用連續(xù)估計的方法在人體運動意圖預估時，存在以下問題：預測的準確性低，實時性差，計算復雜。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種基于表面肌電信號連續(xù)估計關(guān)節(jié)角度的方法，通過采用稀疏偽輸入高斯過程回歸算法構(gòu)建肌電信號和人體關(guān)節(jié)角度的映射模型，以連續(xù)的方式實現(xiàn)表面肌電信號映射到關(guān)節(jié)角度上的運動，保證連續(xù)估計的實時性，由此解決連續(xù)估計方法預測準確性低、實時性差，計算復雜的技術(shù)問題。

為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種基于表面肌電信號連續(xù)估計人體關(guān)節(jié)角度的方法，其特征在于，該方法包括下列步驟：

(a)選取待預測對象的關(guān)節(jié)部位，按照預設采樣頻率采集所述待預測對象的關(guān)節(jié)部位的肌電信號及關(guān)節(jié)角度信號；

(b)分別對采集的所述肌電信號和關(guān)節(jié)角度信號進行預處理，并使得預處理后的所述關(guān)節(jié)角度信號與肌電信號按照采樣時間一一對應；