肌电信号控制下肢假肢关键技术研究

论文摘要

人体下肢最重要的功能就是能够帮助人完成行走、跑步等运动,能够使人达到基本交通的目的。以往的下肢假肢主要是通过机械结构来完成残疾人日常所需动作的,对行走速度等有一定的限制,为了适应不同的步速和环境的变化,将微处理器引入下肢假肢,使下肢假肢能够跟随健肢侧,使人体行走更加协调。本论文通过人体生理信号——肌电信号作为信息源,可以克服普通传感器的磨损等现象,并且肌电信号能够更加直接的表达人体活动意图,许多研究表明人体下肢肌电信号与行走速度是存在必然联系的,由于在跨步长恒定的条件下,行走步速同步态周期是成反比关系的,所以肌电信号在一定程度上也影响了人体行走的步态周期。本文主要内容如下:1.针对表面肌电信号的非平稳特性,利用移动平均滤波等低通滤波算法处理肌电信号,得到信号的低频信息,本文针对肌电信号传感器的零点漂移现象,提出了峰-谷分段积分和峰-谷线性插值分段积分两种算法,即通过该两种算法分别对肌电信号低频信息进行处理,得到信号特征值,通过阈值法,识别出人体行走步态周期;2.通过VisualC++环境中的基础类库MFC设计了实验系统界面,该界面主要通过峰-谷分段积分（或峰-谷线性插值分段积分）算法实现了人体行走步态周期识别,其主要包括:肌电信号显示模块,用户信息输入存储模块,人体行走步态动画显示模块,识别结果及与脚底压力结果对比模块等。3.通过MSP430超低功耗单片机实现智能假肢的步速控制,主要通过膝关节角度信号及肌电信号两种信号作为信息源进行步态周期识别的,控制步进电机的行程,改变气缸针阀开度,从而达到协调行走步态的目的。设计了一款行走步态协调性显示的装置,用于实验调试验证控制方法有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1-1 研究背景
• §1-2 国内外的研究现状
• 1-2-1 国外发展概况
• 1-2-2 国内发展概况
• §1-3 本论文主要研究内容
• 1-3-1 研究目的
• 1-3-2 研究理论基础
• 1-3-3 研究方法
• 1-3-4 关键技术
• 1-3-5 研究意义
• 第二章 肌电信号及其对人体下肢步态影响概述
• §2-1 人体肌电信号概述
• 2-1-1 肌电信号产生的机理
• 2-1-2 肌电信号的特点
• 2-1-3 表面肌电信号及其测量
• 2-1-4 肌电测量传感器的零点漂移现象
• 2-1-5 肌电信号的预处理
• §2-2 人体下肢行走步态概述
• §2-3 行走速度对正常人下肢肌肉影响
• §2-4 小结
• 第三章 肌肉动作起始时刻识别算法——PVPI 算法
• §3-1 滤波后肌电信号的趋势判断
• §3-2 峰—谷分段积分算法
• 3-2-1 峰—谷分段积分算法概述
• 3-2-2 PVPI 算法的基本思想
• 3-2-3 简化算法——峰—谷线性插值分段积分算法
• §3-3 通过PVPI 算法识别肌肉动作起始时刻
• 3-3-1 PVPI（PVLI& PI）算法识别肌肉动作起始时刻
• 3-3-2 PVPI 算法识别肌肉动作起始时刻的优点
• §3-4 小结
• 第四章 肌电信号识别人体行走步态周期
• §4-1 基于PVPI 算法的步态周期识别
• §4-2 实验仿真与研究
• 4-2-1 异常情况
• 4-2-2 峰谷时刻及趋势上升下降判断
• 4-2-3 峰、谷时刻的准确提取
• 4-2-4 趋势变化的阈值选择
• 4-2-5 仿真实验流程图
• §4-3 步态周期识别结果分析
• 4-3-1 理想信号的分析
• 4-3-2 实际信号的分析
• §4-4 小结
• 第五章 肌电信号识别及控制下肢假肢步态周期实验系统设计
• §5-1 实验系统主界面设计
• 5-1-1 肌电信号的显示
• 5-1-2 个人信息输入模块
• 5-1-3 人体行走步态动画显示
• 5-1-4 识别结果的显示
• §5-2 智能假肢单片机控制系统的设计
• 5-2-1 基于速度模式识别的膝上假肢控制方法
• 5-2-2 假肢系统调试
• §5-3 本章小结
• 第六章 结论
• §6-1 总结
• §6-2 工作展望
• 参考文献
• 附录A 人体下肢肌肉解剖图
• 致谢
• 攻读学位期间所取得的相关科研成果