信息科學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)

基于表面肌電的運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別方法研究及應(yīng)用綜述

丁其川，熊安斌，趙新剛，等

摘要：目的：通過(guò)表面肌電識(shí)別人體運(yùn)動(dòng)意圖是構(gòu)建肌電人機(jī)交互系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，肌電運(yùn)動(dòng)識(shí)別研究成果層出不窮，應(yīng)用產(chǎn)品逐步推廣。本文按照被識(shí)別的運(yùn)動(dòng)內(nèi)容，對(duì)肌電運(yùn)動(dòng)識(shí)別技術(shù)的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀分類(lèi)討論，總結(jié)研究特點(diǎn)，剖析制約應(yīng)用推廣的問(wèn)題，并展望該技術(shù)未來(lái)發(fā)展。方法：通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)人機(jī)交互與基于肌電的人機(jī)交互方式，總結(jié)肌電交互技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。針對(duì)肌電交互中，運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別這一核心問(wèn)題，按照被識(shí)別的運(yùn)動(dòng)內(nèi)容，將相關(guān)研究歸納為離散動(dòng)作模態(tài)分類(lèi)、關(guān)節(jié)連續(xù)運(yùn)動(dòng)量估計(jì)、關(guān)節(jié)剛度/阻抗估計(jì)等 3類(lèi)，并對(duì)近 10年的主要成果梳理，從使用的肌電特征、估計(jì)算法、估計(jì)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)、有無(wú)特殊人群參與等諸多方面，對(duì)3類(lèi)研究分別評(píng)述，總結(jié)研究熱點(diǎn)及特點(diǎn)，提煉研究存在問(wèn)題，并提出解決建議；進(jìn)一步，針對(duì)3類(lèi)研究面向的應(yīng)用、研發(fā)的原理樣機(jī)、市場(chǎng)化產(chǎn)品等分析評(píng)定，剖析制約當(dāng)前肌電交互系統(tǒng)推廣的問(wèn)題，探討突破應(yīng)用瓶頸的技術(shù)切入點(diǎn)，并展望肌電交互技術(shù)的應(yīng)用前景。結(jié)果：與基于固定程式控制的人機(jī)交互方式相比，基于肌電的人機(jī)交互方式具有可實(shí)現(xiàn)多模態(tài)自然控制、普適于殘疾人群、可超前預(yù)判操作者意圖等優(yōu)勢(shì)。針對(duì)肌電交互中，運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別這一核心問(wèn)題，按照被識(shí)別的運(yùn)動(dòng)內(nèi)容，將相關(guān)研究歸納為3大類(lèi)。（1）離散動(dòng)作模態(tài)分類(lèi)，主要識(shí)別握拳、伸掌、屈肘等動(dòng)作類(lèi)型，這是目前關(guān)注最多，方法最成熟的研究，通過(guò)遴選肌電特征及優(yōu)化設(shè)計(jì)分類(lèi)模型，可以識(shí)別更多的動(dòng)作類(lèi)型，識(shí)別精度能超過(guò)95%，但當(dāng)前研究存在評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)單一、未考慮外部干擾等缺點(diǎn)。（2）關(guān)節(jié)連續(xù)運(yùn)動(dòng)量估計(jì)，用于估計(jì)關(guān)節(jié)力矩、角速度、角度等連續(xù)量，估計(jì)結(jié)果可作為參考輸入，用以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)輔助機(jī)器人的同步比例控制。常采用兩種途徑實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)動(dòng)估計(jì)，一是結(jié)合 Hill肌肉力學(xué)與關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)建立計(jì)算連續(xù)運(yùn)動(dòng)量的模型，該方法會(huì)引入較多難以辨識(shí)的參數(shù)；二是直接擬合以肌電為輸入、運(yùn)動(dòng)量為輸出的回歸模型，所建立模型的性能依賴(lài)于訓(xùn)練數(shù)據(jù)。（3）關(guān)節(jié)剛度/ 阻抗估計(jì)。利用肌電估計(jì)出肌肉/關(guān)節(jié)剛度/阻抗等肢體內(nèi)在屬性信息，用于實(shí)現(xiàn)輔助機(jī)器人的阻抗控制，從而提升機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的柔順性及人機(jī)交互的安全性。但現(xiàn)有方法建立的剛度估計(jì)模型的適應(yīng)性受限。從應(yīng)用角度分析，離散動(dòng)作分類(lèi)多用于設(shè)計(jì)肌電假手系統(tǒng)，而關(guān)節(jié)連續(xù)運(yùn)動(dòng)量與關(guān)節(jié)剛度/阻抗估計(jì)用于實(shí)現(xiàn)康復(fù)機(jī)器人、外骨骼助力機(jī)器人等系統(tǒng)的控制。目前已有i-LIMB肌電假手、HAL助力外骨骼等肌電交互產(chǎn)品市場(chǎng)化應(yīng)用，但大多數(shù)肌電交互系統(tǒng)仍處于原理樣機(jī)階段，制約這類(lèi)系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用的因素有：肌電非平穩(wěn)性影響系統(tǒng)穩(wěn)定性、肌電個(gè)體差異性導(dǎo)致產(chǎn)品批量化困難、運(yùn)動(dòng)識(shí)別評(píng)價(jià)準(zhǔn)則不完善導(dǎo)致產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)等，引入針對(duì)肌電特性的自適應(yīng)識(shí)別方法，并完善評(píng)價(jià)準(zhǔn)則是突破產(chǎn)品推廣瓶頸的技術(shù)切入點(diǎn)。結(jié)論：肌電運(yùn)動(dòng)識(shí)別是實(shí)現(xiàn)肌電人機(jī)交互的關(guān)鍵技術(shù)。本文按照被識(shí)別的運(yùn)動(dòng)內(nèi)容，將肌電運(yùn)動(dòng)識(shí)別研究歸納為離散動(dòng)作模態(tài)分類(lèi)、關(guān)節(jié)連續(xù)運(yùn)動(dòng)量估計(jì)、關(guān)節(jié)剛度/ 阻抗估計(jì)等3類(lèi)，并對(duì)每類(lèi)研究細(xì)致評(píng)述，分析其關(guān)注點(diǎn)及存在的問(wèn)題。研究者已在肌電信號(hào)處理、運(yùn)動(dòng)意圖表達(dá)、人體運(yùn)動(dòng)建模等方向提出許多特色方法，但因肌電非平穩(wěn)特性及人體運(yùn)動(dòng)復(fù)雜性，造成當(dāng)前肌電交互系統(tǒng)多數(shù)仍處在原理樣機(jī)階段，提高運(yùn)動(dòng)識(shí)別模型的穩(wěn)定性，并建立針對(duì)識(shí)別方法的完善評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，是未來(lái)開(kāi)發(fā)實(shí)用性肌電交互系統(tǒng)關(guān)注的重點(diǎn)。

來(lái)源出版物：自動(dòng)化學(xué)報(bào), 2016, 42(1): 13-25

入選年份：2016