[發(fā)明專(zhuān)利]基于混合群智能算法的電極-皮膚阻抗模型參數(shù)優(yōu)化方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202211324957.2
• 申請(qǐng)日: 2022-10-27
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN115565685A
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-01-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李春泉;姚凱文;馮曉靜;何永華;陳義潔;劉家風(fēng);陳利民
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 南昌大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G16H50/50
• 分類(lèi)號(hào): G16H50/50;A61B5/0531;A61N1/36;G06N3/00
• 代理公司: 南昌朗科知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 36134
• 代理人: 郭毅力;郭顯文

基于混合群智能算法的電極?皮膚阻抗模型參數(shù)優(yōu)化方法，包括以下步驟：(1)建立電路模型到阻抗模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式；(2)用非侵入式手指皮膚阻抗測(cè)量系統(tǒng)獲得手指在刺激頻率下的阻抗模值的響應(yīng)數(shù)據(jù)；(3)將模型參數(shù)估計(jì)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，設(shè)定模型參數(shù)邊界；(4)利用改進(jìn)的混合群體智能優(yōu)化算法來(lái)優(yōu)化模型參數(shù)，并將優(yōu)化后的參數(shù)帶入阻抗模型中，獲得了精確地電極?皮膚手指阻抗模型。本發(fā)明在參數(shù)優(yōu)化過(guò)程中以飛蛾火焰優(yōu)化算法為主體，設(shè)計(jì)了自適應(yīng)分群策略、正余弦更新策略和火焰數(shù)恒定策略三種新策略，獲得了較好的平衡勘探與開(kāi)發(fā)能力，進(jìn)一步提高了阻抗模型參數(shù)的求解精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電子醫(yī)學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及基于電刺激觸覺(jué)反饋設(shè)備中人手電極-皮膚阻抗模型參數(shù)優(yōu)化，用于為人體手指提供足夠準(zhǔn)確和可靠的觸覺(jué)反饋信息，進(jìn)而設(shè)計(jì)出一個(gè)可靠且準(zhǔn)確的電觸覺(jué)反饋設(shè)備。

背景技術(shù)

人經(jīng)由觸覺(jué)感知外界環(huán)境的溫度、濕度、疼痛、壓力、振動(dòng)及物體形狀、紋理和質(zhì)感等各類(lèi)重要信息。作為人類(lèi)感覺(jué)系統(tǒng)中唯一具有雙向傳遞信息能力的信息載體，觸覺(jué)比其他感覺(jué)更細(xì)膩，也能更直接的讓人產(chǎn)生強(qiáng)烈的臨場(chǎng)感。因此，觸覺(jué)對(duì)于人類(lèi)的感知、決策和判斷至關(guān)重要。觸覺(jué)反饋技術(shù)也常被應(yīng)用于智能制造、醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人、微創(chuàng)手術(shù)、游戲和教育訓(xùn)練中，為操作者提供真實(shí)可靠的觸覺(jué)感受。電觸覺(jué)設(shè)備通過(guò)克服皮膚的電阻抗以激活位于皮膚不同深度組織的觸覺(jué)感受器，從而實(shí)現(xiàn)觸覺(jué)的感覺(jué)再現(xiàn)。若電觸覺(jué)設(shè)備的電刺激頻率等參數(shù)設(shè)置的不合理，便不能為操作者提供舒適的電觸覺(jué)效果。如果已知皮膚阻抗的精確模型，則可以根據(jù)模型確定合適的電刺激參數(shù)，在盡可能保證人體舒適感的刺激閾值下實(shí)現(xiàn)更有效的神經(jīng)和肌肉激活，為操作者提供真實(shí)可靠的觸覺(jué)反饋。因此，精確的皮膚阻抗模型可以保障電觸覺(jué)設(shè)備高效、可靠的進(jìn)行觸覺(jué)再現(xiàn)。通常，建立皮膚阻抗模型首先需要建立阻抗的電路模型，然后根據(jù)電路模型推導(dǎo)出數(shù)學(xué)模型，并對(duì)數(shù)學(xué)模型參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。然而，現(xiàn)有的皮膚阻抗電路模型并未充分考慮皮膚的生理特性，容易忽略皮膚表皮與電觸覺(jué)設(shè)備電極之間的接觸阻抗，以及在電刺激時(shí)周?chē)h(huán)境帶來(lái)的干擾。此外，電刺激頻率對(duì)于皮膚阻抗的影響沒(méi)有得到足夠的重視，現(xiàn)有的皮膚阻抗數(shù)學(xué)模型并未充分考慮到電刺激頻率與皮膚阻抗之間的關(guān)系。因此，皮膚阻抗電路模型和數(shù)學(xué)模型的精確性有待進(jìn)一步提升。

早期的電刺激觸覺(jué)研究多數(shù)以基礎(chǔ)理論研究為主，主要集中在對(duì)電刺激心理學(xué)和生理學(xué)的探討。德國(guó)生理學(xué)家韋伯最早確立了韋伯定律，用來(lái)揭示外部刺激與心理感受之間的相關(guān)性，開(kāi)創(chuàng)了可用于研究觸覺(jué)的心理物理學(xué)法，他所提出的刺激閾值及韋伯常數(shù)等概念也沿用至今。Adrian E D和Zotterman Y以青蛙的肌肉和貓后腳的足底表面為研究對(duì)象，首次證實(shí)了皮膚觸覺(jué)感受器能夠感受到外部信息并且能傳遞信息從而產(chǎn)生觸覺(jué)(詳見(jiàn)：Adrian E D,Zotterman Y.The impulses produced by sensory nerve-endings:PartII.The response of a Single End-Organ[J].The Journal of Physiology,1926,61(2):151-171.)。在電觸覺(jué)設(shè)備的實(shí)踐應(yīng)用方面，國(guó)外很早就開(kāi)始了研究。