[0039 ]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0040]本發(fā)明提取下肢8塊肌肉肌電信號(hào)的肌肉活躍度主分量，結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)建模所得下 肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度，使用GEP符號(hào)回歸分析方法，建立非線性回歸模型，預(yù)測下肢運(yùn)動(dòng)軌跡。本 發(fā)明實(shí)現(xiàn)人體下肢步態(tài)動(dòng)作的連續(xù)精細(xì)識(shí)別，建立表面肌電信號(hào)與下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度之間 的回歸模型，達(dá)到控制下肢康復(fù)機(jī)器人主動(dòng)訓(xùn)練的目的。本發(fā)明所建模型穩(wěn)定可靠，預(yù)測角 度實(shí)施準(zhǔn)確，在康復(fù)工程、人機(jī)接口、虛擬世界等方面都有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
【附圖說明】
[0041 ]圖1是人體下肢行走關(guān)節(jié)角度肌電連續(xù)解碼方法框圖；
[0042] 圖2是下肢標(biāo)記點(diǎn)位置和坐標(biāo)系布置示意圖；其中，1為左髂前上棘;2為右髂前上 棘;3為左髂后上棘;4為右髂后上棘;5為左膝外側(cè);6為左膝內(nèi)側(cè)；7為左踝外側(cè);8為左踝內(nèi) 偵Μ為右膝外側(cè)；1〇為右膝內(nèi)側(cè)；11為右踝外側(cè)；12為右踝內(nèi)側(cè)；13為左足跖骨；14為左腳后 跟;15為右腳趾骨；16為右腳后跟；
[0043] 圖3是關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度計(jì)算結(jié)果示意圖；
[0044] 圖4是表面肌電信號(hào)活躍度主分量示意圖；
[0045] 圖5是GEP算法基本流程圖；
[0046] 圖6是關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度預(yù)測結(jié)果示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0047] 為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于了解，下面結(jié)合具 體圖示，進(jìn)一步闡述本發(fā)明技術(shù)方案的具體實(shí)現(xiàn)方式。
[0048] 請參閱圖1至圖6所示，本發(fā)明一種人體下肢行走關(guān)節(jié)角度肌電連續(xù)解碼方法，包 括下列步驟：
[0049]采用紅外三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)記錄人體運(yùn)動(dòng)三維坐標(biāo)，進(jìn)而計(jì)算下肢髖關(guān)節(jié)、膝關(guān) 節(jié)和踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度;利用16通道肌電采集儀采集人體在行走過程中8塊肌肉的肌電信 號(hào)，他們是:股直肌、股外側(cè)肌、股二頭肌、半腱肌、比目魚肌、腓腸肌內(nèi)側(cè)、腓腸肌外側(cè)、脛骨 前肌，經(jīng)過預(yù)處理和降維后提取肌電信號(hào)活躍度主分量作為特征參數(shù);隨后，利用基因表達(dá) 式編程符號(hào)回歸分析方法(GEP)，構(gòu)建從表面肌電信號(hào)特征到矢狀面關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度的非線 性回歸模型。人體下肢行走關(guān)節(jié)角度肌電連續(xù)解碼方法的示意圖如圖1。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明 的方法模型可靠，角度預(yù)測正確率高，有利于下肢康復(fù)機(jī)器人的訓(xùn)練和使用。
[0050] 1、關(guān)節(jié)角度計(jì)算與肌電特征提取的方法：
[0051 ]光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)記錄到人體下肢行走過程中16個(gè)體表關(guān)鍵標(biāo)記點(diǎn)在世界坐標(biāo) 系下的三維運(yùn)動(dòng)軌跡，其下肢標(biāo)記點(diǎn)的位置和坐標(biāo)系布置如圖2所示。其世界坐標(biāo)系X軸方 向指向人體正前方，Z軸豎直向上，兩者構(gòu)成平面為矢狀面，而X軸與Y軸構(gòu)成水平面，Y軸與Z 軸構(gòu)成額狀面。局部參考坐標(biāo)系以小腿坐標(biāo)系為例，首先，基于標(biāo)記點(diǎn)的位置坐標(biāo)確定膝和 踝關(guān)節(jié)中心點(diǎn)的位置坐標(biāo)，對于膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，以關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)標(biāo)記點(diǎn)的中點(diǎn)作為關(guān)節(jié)中 心，即
[0054]式中：P5、P6、P7和P8分別為圖2中下肢標(biāo)記點(diǎn)5、6、7和8點(diǎn)的位置坐標(biāo);Pkjc為膝關(guān)節(jié) 中心位置坐標(biāo);為踝關(guān)節(jié)中心位置坐標(biāo)。其次，利用關(guān)節(jié)中心位置坐標(biāo)和標(biāo)記點(diǎn)位置坐 標(biāo)確定小腿的局部參考坐標(biāo)系，規(guī)定坐標(biāo)系位于小腿質(zhì)心位置，k軸由p ajc指向pkjc，i軸垂直 于口3 j。、Pkj。和P6三點(diǎn)組成的平面向前，j軸垂直于k軸和i軸，小腿坐標(biāo)系單位矢量為
[0057] jcalf = kcalf X lCalf
[0058] 式中:kcalf、icalf和jcalf分別小腿坐標(biāo)系k軸、i軸和j軸的單位矢量。
[0059] 其骨盆坐標(biāo)系、大腿坐標(biāo)系和足坐標(biāo)系建立方法與小腿坐標(biāo)系一致。針對建立的 局部坐標(biāo)系，定義3個(gè)關(guān)節(jié)的屈伸角度:髖關(guān)節(jié)屈/伸角QiSkThwh在骨盆坐標(biāo)系矢狀面的投 影與豎直軸的夾角;膝關(guān)節(jié)屈/伸角0 2Skalf在大腿坐標(biāo)系矢狀面的投影與豎直軸的夾角； 踝關(guān)節(jié)屈/伸角θ3為1?。。*在大腿坐標(biāo)系矢狀面的投影與豎直軸的夾角。計(jì)算公式如下
[0060] 0i = acos(TikThigh · kpeivis)
[0061] 02 = acos(T2kcaif · kThigh)
[0062] 03 = acos(T3kF〇〇t · kcaif)
[0063] 式中：T^TdPTs分別為從大腿坐標(biāo)系到骨盆坐標(biāo)系、小腿坐標(biāo)系到大腿坐標(biāo)系和 足部坐標(biāo)系到小腿坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化矩陣。1^ 1&、1^^11和1?。。*分別為骨盆坐標(biāo)系、大腿坐標(biāo)系 和足部坐標(biāo)系k軸上的單位矢量。圖3給出某次行走過程中計(jì)算的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度。
[0064] 采集的肌電信號(hào)利用帶通濾波器(20-500HZ)和50Hz工頻陷波器進(jìn)行降噪和偽跡 消除處理，并對信號(hào)進(jìn)行全波整流和歸一化處理，得到肌肉活躍強(qiáng)度X={Xlj}mxP(P = 8表示 表面肌電信號(hào)通道數(shù)，m表示采樣點(diǎn)數(shù))作為主成分分析方法(PCA)降維的輸入。
[0065] 其利用PCA實(shí)現(xiàn)肌電活躍主分量提取的過程為
[0066] (1)計(jì)算肌電信號(hào)強(qiáng)度指標(biāo)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)矩陣，R=(rij)pXp
[0068]式中：cov(Xi，Xj)為強(qiáng)度指標(biāo)Xi和Xj的協(xié)方差;D(Xi)和D(Xj)分別為Xi和Xj的方差。
[0069] (2)計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣R的特征值λ以及對應(yīng)的特征向量，同時(shí)對特征向量進(jìn)行正 交歸一化得到單位正交化特征向量A;
[0070] (3)計(jì)算每一個(gè)特征值的貢獻(xiàn)率，根據(jù)給定的提取效率(>90%)，選定h個(gè)肌電信號(hào) 活躍度主分量〇=[ 01，02，一，％]，其11取值2~6。圖4給出某次行走過程中處理得到的肌肉活 躍度主分量。
[0071] 2、GEP符號(hào)回歸方法建模原理
[0072] 基因表達(dá)式程序設(shè)計(jì)(Genetic expression programming，GEP)是由葡萄牙學(xué)者 Ferreira承襲遺傳算法與遺傳規(guī)劃算法而新發(fā)展出來的一種進(jìn)化算法，GEP利用適應(yīng)度函 數(shù)對于種群個(gè)體的選擇加上演化的機(jī)制，將程式自行演化以達(dá)成特定的演化目標(biāo)，適用于 解決各種不同的領(lǐng)域的問題。在功能上，GEP能發(fā)現(xiàn)揭示問題本質(zhì)的規(guī)則、公式、以及描述問 題解答過程的程序，通過簡單緊湊的編碼和簡單的遺傳操作，能夠解決復(fù)雜應(yīng)用問題。從形 式上，GEP是一種進(jìn)化計(jì)算方法，采用了個(gè)體表現(xiàn)型和遺傳編碼不同的設(shè)計(jì)思路，采用等長 線性符號(hào)編碼，遺傳操作非常簡單，基本類似于標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法。GEP符號(hào)回歸方法的流程圖 如圖5所示，其具體步驟如下：
[0073] 步驟一、產(chǎn)生初始群體，解碼并計(jì)算適應(yīng)度；
[0074] 步驟二、執(zhí)行精英策略，判斷結(jié)果是否符合停機(jī)條件(進(jìn)化是否達(dá)到一定代數(shù)或者 連續(xù)η代最好適應(yīng)值未變化，η優(yōu)選取20)，若滿足，則輸出相應(yīng)的表達(dá)式并結(jié)束運(yùn)算；
[0075]步驟三、按某一策略執(zhí)行選擇操作，形成交配池；
[0076] 步驟四、種群進(jìn)化(分別以某一概率執(zhí)行變異、插入、迀移、重組等遺傳算子）；
[0077] 步驟五、產(chǎn)生新種群，解碼并計(jì)算適應(yīng)度，跳轉(zhuǎn)至步驟二重復(fù)執(zhí)行上面步驟。
[0078]所述步驟一具體包括：
[0079] 步驟11、初始種群創(chuàng)建中，設(shè)定函數(shù)集{+，-，*，/，〇}和終結(jié)符集{€11€[2"_€ [11?}，其中9 表示平方運(yùn)算，α表示肌電信號(hào)活躍度主分量，？代表常數(shù)量;定義3段式基因結(jié)構(gòu)，包括頭 部、尾部和常數(shù)域，頭部元素來自函數(shù)集或終極符集，尾部元素來自終結(jié)符集，常數(shù)域長度 與尾部長度相等，頭部與尾部長度滿足以下關(guān)系
[0080] Τ1=Η1Χ(Ν-1)+1
[0081] 式中：HI為基因頭部長度(事先確定的值）；T1為基因尾部長度;N表示函數(shù)符號(hào)集 中參數(shù)個(gè)數(shù)；
[0082] 本發(fā)明預(yù)測關(guān)節(jié)角度的數(shù)據(jù)對象是多元時(shí)間序列數(shù)據(jù)，染色體構(gòu)成采用多基因染 色體的方式。初始化生成Μ組未知染色體形成初始子種群，即種群規(guī)模為M，進(jìn)化代數(shù)計(jì)數(shù)器 Gen的初始值設(shè)為1，最大遺傳代數(shù)為MaxGen;
[0083] 步驟12、設(shè)定動(dòng)態(tài)適應(yīng)度函數(shù)
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