面向多人机差异场景的肌电步态识别影响研究及应用

第1章绪论

1.1课题研究背景和意义，

1.2步态识别研究综述......

1.2.1步态识别的应用..

1.2.2步态识别的研究现状..1.3本书研究内容与组织结构

1.3.1本书研究内容..

1.3.2本书组织结构

第2章肌电步态识别的相关理论

2.1 引言....

2.2人体下肢的基本结构....

2.2.1人体测量基准面划分・

2.2.2下肢主要骨骼和关节..

2.2.3下肢主要肌肉......

2.3步态识别的相关理论....

2.4表面肌电信号的相关知识.....

2.4.1肌电信号的产生和采集...

2.4.2肌电信号的特点和稳定性・

2.4.3肌电信号的分析方法.....

2.5本章小结

第3章基于肌电信号的负重差异对步态识别的影响研究

3.1引言

3.2研究目的和思路

3.3实验原型和流程

3.3.1被试者组成

3.3.2待测肌肉选择

3.3.3实验设备及参数

3.3.4实验操作及过程

3.4数据收集与处理

3.4.1数据收集

3.4.2信号预处理

3.4.3特征提取

3.4.4分类模型选择和构建

3.4.5数据分析

3.5实验结果

3.5.1负重差异对步态识别的影响

3.5.2含混矩阵结果评估

3.5.3混合负重结果评估

3.6实验分析和讨论

3.6.1负重差异对步态识别显著影响的原因分析........075

3.6.2实时环境中基于肌电的下肢外骨骼控制系统有效性分析

3.6.3在负重层面上提高步态识别的方法探讨

3.6.4速度对步态识别的影响分析

3.7本章小结

第4章基于肌电图像和 CNN的负重方式差异对步态识别的影响研究

……

5.5.1实验规划与组织.

5.5.2基于LSTM的离线模型构建

5.5.3面向多人机差异场景的实时步态识别及结果分析

5.6本章小结

第6章实时步态识别系统在下肢外骨骼中的运用

6.1下肢外骨骼设计的基本原则

6.2下肢外骨骼模型及机械结构

6.3基于表面肌电信号的下肢外骨骼控制系统设计

6.4实验内容及结果

6.4.1实验目的和内容

6.4.2实验安排与过程

6.4.3实验结果与分析

6.5本章小结

第7章

总结与展望7.1主要研究工作7.2本书创新点7.3展望

参考文献

第1章绪论

1.1课题研究背景和意义

准确的步态识别至关重要，是下肢外骨骼和人体假肢实现人机运动协同的先决条件和重要保障[-2]。下肢外骨骼和人体假肢为中风患者和下肢偏瘫患者的生活带来极大的方便，特别是在提高他们的平路步行稳定性，减少其运动过程中的能量消耗等方面成效尤为显著3。随着研究深人，下肢外骨骼向更智能和人机协同方向发展，这就需要根据实时步态信息调整下肢外骨骼的控制信号输入，提高人机运动协同能力来提高康复效果[4-5]

虽然不同公司、研究机构的下肢外骨骼特点迥异(如不同的结构，控制源、动力学特征等)，但是基本的研制思路和原理都一致。下肢外骨骼就是通过传感器识别人体运动状态和运动意图，并对此进行机械反馈，即:将人的运动指令(运动意图)变成下肢关节处的动力装置(电机、液压、气动等)的输出力，从而驱动关节摆动实现自然行走。无论是助力还是助行下肢外骨骼，要使人体穿戴后运动自然，就得使外骨骼和人体协调一致，并且拥有近乎相同的自由度和运动形式，因此，研究人体的步态是下肢外骨骼控制的前提和基础。

步态识别研究和应用的重要性与市场对下肢外骨骼的需求一致的。市场对下肢外骨骼的容量越大，需求越旺盛，则对步态识别研究的需求越强烈、越紧迫。

当前，外骨骼被广泛运用在军事领域、制造工业领域以及医疗康复领域。

(1)在军事领域，外骨骼主要用于扩充或增强一个人的生理功能，为士兵提供更多的保护，具体体现为:增能减负，提高士兵的携带能力，以及通过给外骨骼上加装相应的传感器，增强士兵对战场的感知等。

（2）在制造工业领域，外骨骼的运用和在军事领域相似，多用来帮助制造业工人更有效地避免伤害，更加高效地适应高强度、高机械化作业生产，这在面向工程施工、危险救助、制造加工、负重搬运、重复累伤等方面前景更为广阔。美国劳工统计局(Bureau of Labor Statistics)数据显示6，在美国制造业，由于重复、压迫性损伤所引起的损失每年就不下200亿美元。

（3）在医疗康复领域，外骨骼主要用于辅助残疾人、老年人以及上下肢无力患者、偏瘫患者完成正常的肢体动作，以实现其生活正常化，并起到康复治疗的作用，同时这也大量减少了对康复治疗专家的占用，不但使前后康复训练动作一致，还能方便对治疗历程的记录，使病情回顾、对比分析更简单。

对康复而言，康复外骨骼作为针对这种特殊人群的“可穿戴设备”,在突破相关的应用技术瓶颈后，其市场潜力巨大，未来几年外骨骼产业的增长速度甚至会超过整个医用机器人的增长速度。

根据美国瘫痪协会统计，2013年美国瘫痪患者超过27万人，外骨骼的市场空间高达189亿美元。美国退伍军人事务部于美国时间2015年12月17日发布:将为老兵提供Rewalk外骨骼评估，让符合该外骨骼设备治疗的脊髓损伤士兵能够接受康复训练，并得到 Rewalk康复设备。美国军方对外骨骼康复设备的权威认可将使其在该领域的前景更为广阔。在我国，残疾人中有下肢运动功能障碍(包括脑瘫、偏摊、截瘫)的就多达1500万人，再加上因年老导致具有行动障碍的老人将近……

本书分为7章, 包括绪论、肌电步态识别的相关理论、基干于肌电信号的负重美异对步态识别的影响研究、基于肌电图像和CNN的负重方式差异对步态识别的影响研究、面向多人机差异场景的实时步态识别系统开发、实时步态识别系统在下肢外骨骼中的运用等。