CN113625882B - 一种基于稀疏多通道相关性特征的肌电手势识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于稀疏多通道相关性特征的肌电手势识别方法,包括以下步骤:通过稀疏多通道肌电传感器采集上肢多通道表面肌电信号;对采集的表面肌电信号进行去噪、加窗、分段等预处理操作;研究不同通道间相关性,根据通道间的相关系数构建特征集;采用多算法融合分类模型进行手势识别。本发明能有效利用多通道信息,所需特征较少,减少计算资源,识别精度高,鲁棒性较好。
Description
技术领域
本发明涉及手势识别技术领域,具体为一种基于稀疏多通道相关性特征的肌电手势识别方法。
背景技术
人手作为人们生存和劳动的重要工具,在人们的生活和工作中起着非常重要的作用。失去手臂给截肢患者带来极大的不便与负担,智能假手将协助上肢残疾者更好地适应生活及融入社会。目前部分商业假肢手,只能识别有限的手部动作,或者基于动作顺序控制,实用效果不理想。近年来国内外众多学者开展肌电假肢手的手势识别方法的研究,提高手势识别率仍是智能假肢手的研究热点,其中特征提取和分类器设计是提高***精度的关键所在。
表面肌电信号是由多个肌纤维产生的运动单位电位在皮肤表面呈现的时间和空间上综合叠加的结果,能提供肌肉活动的重要信息。大多数截肢者能在残留肢体肌肉产生表面肌电信号,且在皮肤表面获取表面肌电信号配置简单不需要外科手术,是目前肌电假肢的主流信号来源。表面肌电信号是非平稳信号,需要提取有效信息特征,减少数据维度,帮助解码手部运动意图。传统的时域、频域特征提取算法计算成本较低因此被广泛应用,但对于同一手势动作,在不同的力量或速度情况下,特征数值会发生变化,对表征肌电特征存在局限性,影响后续识别性能。
为充分获取肌电信息,近年来众多学者采用多通道传感器采集表面肌电信号,研究不同通道间相关性是有效利用通道信息的方法之一。相关性分析是指对两个或多个具备相关性的变量元素进行分析,从而衡量两个变量因素的相关密切程度。对于多通道表面肌电信号特征,捕获多通道信号之间的相关性是至关重要的。
发明内容
针对上述问题,本发明的目的在于提供一种基于稀疏多通道相关性特征的肌电手势识别方法,通过提取通道间相关系数特征有效利用多通道信息,并结合多算法融合分类模型进行手势识别,提高手势识别的准确性与鲁棒性。技术方案如下:
一种基于稀疏多通道相关性特征的肌电手势识别方法,包括以下步骤:
S1:通过稀疏多通道肌电传感器采集多种手势下的上肢多通道表面肌电信号,并标注手势类别;
S2:对采集的表面肌电信号进行去噪、加窗、分段预处理操作,提取各通道的活动段窗口的表面肌电信号;
S3:计算每两个通道的活动段窗口的表面肌电信号的互相关系数和一致性相关系数,构建融合特征集,作为多算法融合分类模型的输入样本;
S4:对训练样本经过步骤S1~步骤S3处理后,提取部分样本作为验证集分别在每个基学习器上参数寻优,采用最优参数的基学习器构建多算法融合分类模型,并将所有样本输入到模型中进行训练,得到训练好的分类器;将测试样本经过步骤S1~步骤S3处理后输入到训练好的分类器中,得出手势识别结果。
进一步的,所述步骤S2具体为:
S21:采用陷波滤波器消除电力***的工频干扰,采用6阶巴特沃斯低通滤波器滤除肌肉低频伪迹;
S23:计算每段窗口信号的能量,设定能量阈值作为判断依据,将大于设定能量阈值的窗口判断为动作起始段,并将该时间点作为动作起始点,提取自动作起始点起设定时间内的表面肌电信号作为活动段信号。
更进一步的,所述步骤S3具体包括:
S33:对每个活动段窗口的表面肌电信号提取的互相关系数向量和一致性相关系数向量进行融合,得到融合特征集作为分类模型的输入样本。
更进一步的,所述多算法融合分类模型结合多个基学习器来完成学习任务,将XGBoost、KNN、RF、NB作为基学习器,LR作为融合器。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1、本发明使用稀疏多通道表面肌电信号作为手势识别的数据,在皮肤表面配置简单,减少了实施成本。
2、本发明提取稀疏多通道时间序列相关性特征,将互相关系数特征与一致性相关系数特征进行融合,得到融合特征集,充分挖掘通道间信息,丰富了特征量,在执行相同的手势不同的力量情况下,特征数值变化较小,鲁棒性较好。
3、本发明采用多算法融合分类模型进行手势识别,获取每个基学习器的最优参数,构建分类模型,降低分类模型过拟合风险,增强分类模型泛化能力,提高了手势识别的准确率。
附图说明
图1为本发明实施例所述基于稀疏多通道相关性特征的肌电手势识别方法的主流程图。
图2为本发明实施例所述的提取多通道相关性特征t-SNE可视化结果示意图。
图3为本发明实施例所述的多算法融合分类模型图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
本实施例选用稀疏多通道肌电传感器作为表面肌电信号采集传感器,采集的原始表面肌电信号,以实现一种基于多通道相关性特征的肌电手势识别方法。
具体实施方式如图1所示,包括以下步骤:
S1:通过多通道肌电传感器采集预定义手势的上肢多通道表面肌电信号。
采集的手势动作事先预定义,所有健康志愿者均为右利手,规定受试者将臂环佩戴于右手前臂,保持臂环带指示灯的传感器与正常放松时的手背处于同一平面,指示灯朝向手腕并正对中指。所有受试者单个手势动作持续6秒,随后放松休息4秒,每个动作重复10次,一个手势动作采集完成后休息2分钟。通过多通道肌电传感器蓝牙接口读取数据,并标注手势类别。
S2:对采集的原始表面肌电信号进行信号去噪、滑动加窗、动作分段预处理操作。具体过程如下:
S21:表面肌电信号去噪,采用50Hz陷波滤波器以消除电力***的工频干扰,6阶巴特沃斯低通滤波器滤除肌肉低频伪迹;
S23:提取手势活动段信号,依次检测窗口信号的能量,大于设定阈值判断为动作起始段,并将该时间点作为动作起始点,提取自动作起始点起5s内的表面肌电信号,即该5s信号作为对应手势的活动段信号。
S3:研究不同通道间相关性,提取多通道时间序列相关性特征,将互相关系数特征与一致性相关系数特征融合,构成融合特征集。
提取多通道时间序列相关性特征,得到融合特征集的具体过程实施例如下:
S31:计算不同通道间的互相关系数,本实施例采用8个通道的肌电传感器,活动段
窗口的表面肌电信号为V×8的矩阵,其中,X m 表示第m个通道的表面
肌电信号,m=1,2…,8;V为单个窗口的样本数。第i个通道与第j个通道的互相关系数表示为,对所有手势的数据计算每两个通道间的互相关系数,得到向量,其中,;
其中,和分别是X i 和X j 的均值,和分别是X i 和X j 的方差,x n 和y n 分别是
通道X i 和通道X j 中的单个数据,N为通道中数据的个数。对所有手势的数据计算每两个通道
间的一致性相关系数,得到28维的向量P=[P 1,P 2,…,P 7 ],其中,;
S33:将所有活动段窗口信号提取的互相关系数和一致性相关系数进行融合,构建成56维的特征向量,作为分类模型的输入样本。对单个受试者提取多通道时间序列相关性特征,利用t-SNE方法将数据映射到三维空间,进行可视化分析,如图2所示,可以看出提取通道相关性特征后,各类手势的类内距离较小,类间距离较大,具有明显可分性。
S4:构建融合多个基学习器的多算法融合分类模型进行手势识别。
构建的多算法融合分类模型如图3所示,融合多个基学习器来完成学习任务,将XGBoost(eXtreme Gradient Boosting 极端梯度提升)、KNN(K-Nearest Neighbor K最近邻)、RF(Random Forest 随机森林)、NB(Naive Bayes 朴素贝叶斯)作为基学习器,LR(Logistic Regression 逻辑回归)作为融合器;在训练阶段,对训练样本经过步骤S1~步骤S3处理后,提取部分样本作为验证集,分别采用网格搜索法在每个基学习器上进行参数寻优,保存最优参数模型,将最优参数的基学习器构建多算法融合分类模型,并将所有样本输入模型中进行训练,得到训练好的分类器;在测试阶段,将测试样本经过步骤S1~步骤S3处理后输入到训练好的分类器中,得出手势识别结果。
Claims (3)
1.一种基于稀疏多通道相关性特征的肌电手势识别方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:通过稀疏多通道肌电传感器采集多种手势下的上肢多通道表面肌电信号,并标注手势类别;
S2:对采集的表面肌电信号进行去噪、加窗、分段预处理操作,提取各通道的活动段窗口的表面肌电信号;
S3:计算每两个通道的活动段窗口的表面肌电信号的互相关系数和一致性相关系数,构建融合特征集,作为多算法融合分类模型的输入样本;
S4:对训练样本经过步骤S1~步骤S3处理后,提取部分样本作为验证集分别在每个基学习器上参数寻优,采用最优参数的基学习器构建多算法融合分类模型,并将所有样本输入到模型中进行训练,得到训练好的分类器;将测试样本经过步骤S1~步骤S3处理后输入到训练好的分类器中,得出手势识别结果;
所述步骤S3具体包括:
S33:对每个活动段窗口的表面肌电信号提取的互相关系数向量和一致性相关系数向量进行融合,得到融合特征集作为分类模型的输入样本。
3.根据权利要求1所述的基于稀疏多通道相关性特征的肌电手势识别方法,其特征在于,所述多算法融合分类模型结合多个基学习器来完成学习任务,将XGBoost、KNN、RF、NB作为基学习器,LR作为融合器。
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