基于PSO-SVM的仿生肌電假手反饋控制系統(tǒng)設(shè)計分析

姜歸華

摘要：本文簡略闡述了該課題的研究背景和研究意義，介紹了系統(tǒng)總體設(shè)計方案，并從傳感器的選擇、觸覺信號判斷、軟硬度信號判斷、滑覺信號判斷以及假手握力模糊控制方法幾方面內(nèi)容著手對基于PSO-SVM的仿生肌電假手反饋控制系統(tǒng)設(shè)計進行了詳細分析，旨在為相關(guān)研究人員提供參考。

關(guān)鍵詞：PSO-SVM;仿生肌電假手;系統(tǒng)設(shè)計

引言：仿生肌電假手的應(yīng)用可以有效突破傳統(tǒng)方法的局限性，實現(xiàn)對于物體更加靈活和高效的抓握，但從目前來看，其在實際進行系統(tǒng)設(shè)計的過程中仍面臨著一定的不利因素，基于此，有必要對其展開深層次的探索。

1研究背景及意義

我國有眾多因為事故、自然災(zāi)難以及疾病而截肢的人，相關(guān)調(diào)查研究表明，我國的殘疾人總數(shù)超過6000萬，并包含著2400萬人存在肢體殘疾，其中有著假肢安裝需求的上肢和下肢殘疾者包括800-1000萬人。在人體器官中，手是最具靈活性的器官，承擔著諸多工作，所以那些上肢截肢者在生活工作中面臨著極大的困難。機械假手的應(yīng)用在重量以及體積方面均存在著較高的要求，與此同時，其還應(yīng)當具備良好的靈活性和簡潔性特征，能夠高質(zhì)量地代替人手完成日常操作。針對其所進行的研究中最為關(guān)鍵的便在于如何使得機械假手能夠按照人的意愿進行動作，相關(guān)研究人員和技術(shù)人員在假手控制方面采用多種控制信號進行了嘗試，例如聲音、機械運動和肌電信號等。

而肌電信號在操作方面有著較為簡單的特點，并且不會對人體造成極大程度的損傷，是現(xiàn)如今機械夾手控制方面較常應(yīng)用的信號源。皮表的肌電電場的組成包括多個運動單元收縮時電效應(yīng)，表面肌電信號主要指的是用表面電極所提取的肌電信號。它同肌肉本身所具有的功能狀態(tài)以及活動轉(zhuǎn)臺之間存在著一定程度的內(nèi)在聯(lián)系，所以可以實現(xiàn)對于神經(jīng)肌肉活動的反映。對于肌電信號來說，其中涉及到極為豐富的信息，能夠起到有效識別肌肉收縮模式以及強度的作用。但是從實際情況來看，肌電信號本身有著相對較微弱和容易受到干擾的特點，這便為識別肌電信號造成了阻礙。肌電控制指的是提取肌電信號的有用信息進行模式識別應(yīng)用在外界控制中的技術(shù)，當前在外骨骼以及價值等領(lǐng)域已經(jīng)實現(xiàn)了對其的廣泛應(yīng)用[1]。

2PSO-SVM基礎(chǔ)上的仿生肌電假手反饋控制系統(tǒng)設(shè)計探究

2.1系統(tǒng)設(shè)計方案

其系統(tǒng)總體的組成主要包含三部分內(nèi)容，分別為假手控制、上位機離線分析系統(tǒng)以及信號采集模塊。該系統(tǒng)能夠高質(zhì)量提取仿生肌電假手握拳以及張開動作的肌電信號，并用過對于基于粒子群優(yōu)化的支持向量機算法，針對手部動作展開精準的識別工作，與此同時還要在線進行對于肌電假手實際動作的有效控制。假手在對物體進行抓握的時候，將會利用設(shè)置于手指上的傳感器組對物體的具體硬度以及滑覺信息進行采集，與此同時還會針對相應(yīng)的滑覺信號展開響應(yīng)等經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解的工作，在其中實現(xiàn)對于模糊邏輯控制的引入，這樣一來便能夠在面對不同物體的時候根據(jù)其在硬度以及滑度等多方面存在的特殊性進行掌握，進而達到握力的自適應(yīng)調(diào)節(jié)效果，便可以有效實現(xiàn)對于多感知反饋控制的落實。

2.2控制策略

2.2.1傳感器的選擇

傳感器的選擇是肌電假手控制的重要內(nèi)容之一，若想提升其“軟抓取”功能的實效性，應(yīng)當對肌電假手的具體抓握要求產(chǎn)生更加全面的考慮和認識，優(yōu)化選擇有著較強的過載能力以及較寬的動態(tài)范圍，并且靜態(tài)滑動信號響應(yīng)比較快的壓阻式傳感器RFP602作為其滑覺傳感器。與此同時，在軟硬度傳感器的選擇方面，應(yīng)當盡可能選擇有機壓電材料聚偏氟乙（PVDF），這主要是由于其有著較高的測量靈敏度以及壓電系數(shù)。同時其在質(zhì)地方面相對柔軟，重量輕，所以還有著耐沖擊的特點，這些特點也切實展現(xiàn)出了作為軟硬度傳感器的較高的應(yīng)用價值。具體應(yīng)當在肌電假手的手指內(nèi)側(cè)位置對其進行高質(zhì)量的貼裝工作。

2.2.2觸覺信號判斷

當肌電假手同物體產(chǎn)生接觸的時候，將會使得PVDF壓電傳感器在受力的情況下產(chǎn)生變形，進而出現(xiàn)電荷，而電荷在放大之后，將會產(chǎn)生一個有著較大幅值的電壓脈沖信號。在實際進行判斷的過程中應(yīng)當針對其在不同物體的抓握接觸方面的各方面實際情況進行對比，并對相應(yīng)的觸覺閾值進行科學合理的選取，進而在此基礎(chǔ)上展開觸覺判斷，若是PVDG壓點傳感的信號要比觸覺閾值xa要大時，便可以實現(xiàn)對于假手同物體之間接觸的判斷。

2.2.3軟硬度信號判斷

對于物體的屬性來說，物體的軟硬度是其較為關(guān)鍵的內(nèi)容之一，從本質(zhì)上來看，物體的軟硬度主要指的是，其在受到外界壓力的時候其本身所具有的抵抗變形的能力。當采用相同的速度對不同的物體進行抓握的時候，有著較大形變的物體便較軟，而形變小的物體便應(yīng)對較高。PVDF傳感器所產(chǎn)生的壓電信號同接觸壓力成正比關(guān)系，當其同硬度較高的物體產(chǎn)生接觸的時候，其壓電信號將會產(chǎn)生大幅度的上升。通過對于傳感器電壓值的累加便能夠?qū)崿F(xiàn)對于物體實際軟硬度的科學度量。具體公式如下：

在該公式中代表的是觸覺閾值，而則指的是信號采樣值，i和n分別代表的是接觸時刻以及采樣長度。

2.2.4滑覺信號判斷

在滑覺信號判斷方面，當物體產(chǎn)生滑動的時候，壓阻傳感器便會形成一定的高頻摩擦振動信號，但其所具有的幅值相對較小，若是單純從時域中提取滑動信號的特征，采用閾值選擇的方式便會導(dǎo)致其產(chǎn)生一定程度的誤判現(xiàn)象。在時頻域上采用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法提取滑覺信號的特征，該方法的應(yīng)用相對于其它方法來說，有著更加良好的自適應(yīng)、直接以及直觀性，由此可見經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法有著極強的應(yīng)用價值。經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解是一種新型的信號處理方法，其在應(yīng)用的過程中主要是逐級對信號中所存在的各個不同尺度下產(chǎn)生的波動進行分解，這樣一來便會產(chǎn)生一系列的特征模態(tài)函數(shù)，其所具有的特征尺度均存在不同。在面臨非平穩(wěn)的滑動信號的時候，采用EMD方法所獲取的各階IMF分量都能夠呈現(xiàn)出較為平穩(wěn)的特點，主要是立足于滑動信號自身的特征時間尺度達到分解信號的效果，其并不存在固定的奇函數(shù)，自適應(yīng)強，在此基礎(chǔ)上所獲得的每一個IMF都有著突出的物理意義，可以將其滑動的實際過程展現(xiàn)出來[2]。

2.2.5假手握力模糊控制方法

上肢健全的人在對物體進行正常抓握的時候，通常情況下為了確保抓握的穩(wěn)定性，會向那些有著更強剛度的物體進行更大握力的施加，而針對那些較軟的物體則只需要施加較小的握力。針對肌電假手的抓握行為構(gòu)建起相應(yīng)的握力模糊控制器，如圖1所示。

在模糊控制器的輸入端實現(xiàn)對于物體硬度量以及滑動程度量的引入，而輸出變量則是其需要加載的握力F。當加載力F產(chǎn)生變化的時候，便可以對電機進行合理控制，使其能夠達到更加良好的抓握力效果。

結(jié)論：綜上所述，該方式的應(yīng)用能夠有效實現(xiàn)對于人抓握方式的模擬，同時其能夠展現(xiàn)出良好的適應(yīng)性，在進行抓握的時候可以達到更加精確和及時的相應(yīng)控制效果，高質(zhì)量完成相應(yīng)的控制任務(wù)。該系統(tǒng)的應(yīng)用能夠有效提升仿生肌電假手的應(yīng)用效果，對于機械假手領(lǐng)域的發(fā)展有著積極的促進作用。

參考文獻：

[1]鄧志鵬，李新偉，肖藝璇，等.一種動力型髖離斷假肢控制系統(tǒng)研究[J].中華物理醫(yī)學與康復(fù)雜志，2021，43（5）：454-460.

[2]周恩至，張翼，鄧華.肌電假肢手抓握力控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2020，39（9）：94-96，100.