融合生物信息的智能仿生腿步态分析系统的研究

论文摘要

异构双腿行走机器人（Biped Robot with Heterogeneous Legs, BRHL）是一种将双足机器人和智能仿生腿集成研究的新型机器人模型。它作为一种高度拟人的实验平台能够研究残疾人穿戴智能假肢后的行走动态特性,同时还可用于研究人体与智能肢体之间的协调和不对称双腿的行走等问题。这些研究必将更好地促进智能假肢在实际应用中的开发。本文首先对智能假肢的研究现状和BRHL作了介绍,并阐述了脑-机接口（Brain-Computer Interface, BCI）在假肢技术上的应用发展。BRHL是假肢研究的一个理想实验平台,而基于脑电信号控制假肢的技术给假肢的研究开拓了更广阔的视角。论文的研究内容主要为BRHL步态模式的定量分析和BCI系统的设计。为了能够对BRHL或智能假肢进行反馈控制,需要了解假肢运动时一些典型的步态参数。本文利用由MTi惯性传感器采集的角速度及加速度信号来定量计算这些参数。创新性地提出了双摆及倒立双摆的步态模型,并结合小波变换算法计算得到人体行走时的髋膝关节角度和步长等步态参数。采用的算法相对简单且准确,经验证是一种有效地步态定量分析方法。基于BCI系统控制假肢就是利用脑电信号得到假肢控制命令的过程,因此问题的研究重点也就转换为对BCI系统的设计,其基本任务又包括对数据的采集与预处理、脑电特征的提取及模式分类。本文应用时域分析、频域分析、小波变换及共空域模式等多种算法提取特征向量,并采用Fisher线性判别式和支持向量机两种基于不同原理的分类器模型对提取的几种特征向量进行了分类训练。实验结果表明了BCI系统设计的合理性及有效性,可用于实现对假肢的控制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题研究背景
• 1.2.1 智能假肢研究现状
• 1.2.2 异构双腿机器人的提出
• 1.2.3 脑-机接口在假肢技术上的应用发展
• 1.3 课题的研究意义
• 1.4 论文主要工作
• 1.4.1 本文主要研究内容
• 1.4.2 论文结构
• 第2章 步态分析系统概述
• 2.1 引言
• 2.2 步态分析主要研究内容
• 2.3 步态数据采集装置
• 2.3.1 常用采集装置介绍
• 2.3.2 本论文所用传感器介绍
• 2.4 本章小结
• 第3章 步态定量分析
• 3.1 数据采集与预处理
• 3.2 人体运动步态事件的定位
• 3.2.1 小波变换的理论基础
• 3.2.2 基于小波变换的步态事件的定位
• 3.3 步态参数的定量估计
• 3.4 本章小结
• 第4章 想象运动脑电BCI的研究基础
• 4.1 引言
• 4.2 脑电信号的产生
• 4.3 脑电信号的分类
• 4.3.1 自发脑电
• 4.3.2 诱发脑电
• 4.4 脑电信号的采集
• 4.5 BCI系统的组成
• 4.6 本章小结
• 第5章 BCI系统设计实现
• 5.1 脑电数据描述
• 5.1.1 DG数据描述
• 5.1.2 DT数据描述
• 5.2 数据预处理
• 5.3 脑电信号特征提取
• 5.3.1 时域法
• 5.3.2 频域法
• 5.3.3 基于小波变换的特征提取
• 5.3.4 基于共空域模式的特征提取
• 5.4 分类器的设计
• 5.4.1 Fisher线性判别分析
• 5.4.2 支持向量机
• 5.4.3 分类结果分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 结论
• 6.2 问题与展望
• 参考文献
• 致谢