兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (7): 2144-2158.doi: 10.12382/bgxb.2023.0125
刘亚丽1,2, 鲁妍池1, 马勋举1, 宋遒志1,2,*()
收稿日期:
2023-02-26
上线日期:
2023-05-21
通讯作者:
基金资助:
LIU Yali1,2, LU Yanchi1, MA Xunju1, SONG Qiuzhi1,2,*()
Received:
2023-02-26
Online:
2023-05-21
摘要:
随着外骨骼机器人等肌电控制设备的快速发展,表面肌电信号此类非平稳、非周期信号在高性能运动识别系统中的应用已成为相关研究领域的重点。为实现肌电信号跨域特征融合,提出一种基于肌电信号的双卷积链神经网络模型,采集7块关键肌肉的原始肌电信号,经特征提取,转化为能量核相图和离散小波变换系数特征图,分别输入双卷积链神经网络的卷积神经网络分支和MobileNetV2分支,利用融合模块提取高层隐藏特征并进行充分交互。制备包括以上两种特征图像和传统肌电信号图谱在内的3种数据集。3组交叉实验结果表明:所提方法对6种自测下肢运动的平均识别准确率达94.19%,显著优于其他特征组合与网络架构;在ENABL3S开源数据集识别7种下肢运动中取得98.32%的稳态识别准确率,进一步验证了所提方法优良的肌电特征捕捉能力和模式识别准确性。
中图分类号:
刘亚丽, 鲁妍池, 马勋举, 宋遒志. 基于卷积神经网络的肌电信号人体运动模式识别技术[J]. 兵工学报, 2024, 45(7): 2144-2158.
LIU Yali, LU Yanchi, MA Xunju, SONG Qiuzhi. Surface Electromyography-based Human Motion Pattern Recognition Using Convolutional Neural Networks[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(7): 2144-2158.
图1 原始肌电信号与肌电振子EK相图(左为受试者下楼梯时股直肌和阔筋膜张肌的sEMG原始信号,右为幅值取导后根据上述信号绘制而成的EK相图)
Fig.1 Primordial sEMG signal and EK phase diagram of sEMG vibrator (left: the original sEMG signals of temoriss and tensor fascia lata when the subject is going downstairs; and right: the EK phase diagram based on the above signals after amplitude derivation)
特征集 | 分类准确率/% | |||
---|---|---|---|---|
NinaPro DB1 | NinaPro DB2 | NinaPro DB5 | BioPatRec DB2 | |
Du_FS | 82.4 | 78.4 | 83.7 | 88.2 |
TSD | 81.0 | 59.6 | 81.9 | 87.7 |
Atzori_FS | 83.7 | 8.1 | 83.9 | 87.6 |
Phin_FS1 | 85.4 | 74.4 | 85.8 | 90.9 |
Phin_FS2 | 84.3 | 60.0 | 84.4 | 88.5 |
Doswald_FS | 85.3 | 61.7 | 85.2 | 90.6 |
TDAR | 85.0 | 75.6 | 84.5 | 88.5 |
DWTC | 85.7 | 67.6 | 86.0 | 90.0 |
DWPTC | 85.9 | 57.2 | 85.8 | 90.3 |
CWTC | 84.4 | 61.8 | 85.3 | 89.6 |
Hudgins_FS | 82.5 | 37.9 | 83.4 | 88.2 |
表1 11种经典特征集在NinaPro数据集上的识别精度[16]
Table 1 Gesture recognition accuracies of 11 classical feature sets on NinaPro datasets[16]
特征集 | 分类准确率/% | |||
---|---|---|---|---|
NinaPro DB1 | NinaPro DB2 | NinaPro DB5 | BioPatRec DB2 | |
Du_FS | 82.4 | 78.4 | 83.7 | 88.2 |
TSD | 81.0 | 59.6 | 81.9 | 87.7 |
Atzori_FS | 83.7 | 8.1 | 83.9 | 87.6 |
Phin_FS1 | 85.4 | 74.4 | 85.8 | 90.9 |
Phin_FS2 | 84.3 | 60.0 | 84.4 | 88.5 |
Doswald_FS | 85.3 | 61.7 | 85.2 | 90.6 |
TDAR | 85.0 | 75.6 | 84.5 | 88.5 |
DWTC | 85.7 | 67.6 | 86.0 | 90.0 |
DWPTC | 85.9 | 57.2 | 85.8 | 90.3 |
CWTC | 84.4 | 61.8 | 85.3 | 89.6 |
Hudgins_FS | 82.5 | 37.9 | 83.4 | 88.2 |
标签 | 数据量 | 比例/% |
---|---|---|
训练集 | 25471 | 80 |
测试集 | 6368 | 20 |
表2 训练集和测试集划分
Table 2 Partition ratio of training sets and test sets
标签 | 数据量 | 比例/% |
---|---|---|
训练集 | 25471 | 80 |
测试集 | 6368 | 20 |
模型 | CNN输入 | MobileNet输入 | 平均准确率/% |
---|---|---|---|
1 | EKPD | DWFM | 94.19 |
2 | EKPD | CES | 92.16 |
3 | EKPD | EKPD | 90.57 |
4 | DWFM | EKPD | 93.22 |
5 | DWFM | CES | 88.28 |
6 | DWFM | DWFM | 90.06 |
7 | CES | EKPD | 92.15 |
8 | CES | DWFM | 88.07 |
9 | CES | CES | 87.53 |
表3 双卷积链网络输入不同特征组合的模式识别准确率
Table 3 Pattern recognition accuracies of dual convolutional chains neural networks with different feature combinations
模型 | CNN输入 | MobileNet输入 | 平均准确率/% |
---|---|---|---|
1 | EKPD | DWFM | 94.19 |
2 | EKPD | CES | 92.16 |
3 | EKPD | EKPD | 90.57 |
4 | DWFM | EKPD | 93.22 |
5 | DWFM | CES | 88.28 |
6 | DWFM | DWFM | 90.06 |
7 | CES | EKPD | 92.15 |
8 | CES | DWFM | 88.07 |
9 | CES | CES | 87.53 |
模型 | 识别模型 | 输入特征 | 平均准确率/% |
---|---|---|---|
10 | CNN | EKPD | 87.63 |
11 | CNN | DWFM | 87.39 |
12 | CNN | CES | 85.83 |
13 | MobileNet | EKPD | 86.84 |
14 | MobileNet | DWFM | 87.51 |
15 | MobileNet | CES | 85.31 |
表4 单链网络输入单张特征的模式识别准确率
Table 4 Pattern recognition accuracies of single chain CNN with single feature
模型 | 识别模型 | 输入特征 | 平均准确率/% |
---|---|---|---|
10 | CNN | EKPD | 87.63 |
11 | CNN | DWFM | 87.39 |
12 | CNN | CES | 85.83 |
13 | MobileNet | EKPD | 86.84 |
14 | MobileNet | DWFM | 87.51 |
15 | MobileNet | CES | 85.31 |
模型 | 识别模型 | 特征组合 | 平均准确率/% |
---|---|---|---|
16 | CNN | EKPD+DWFM | 90.06 |
17 | CNN | EKPD+CES | 89.26 |
18 | CNN | DWFM+CES | 87.88 |
19 | MobileNet | EKPD+DWFM | 90.21 |
20 | MobileNet | EKPD+CES | 88.43 |
21 | MobileNet | DWFM+CES | 87.75 |
表5 单链网络输入拼接式双特征的模式识别准确率
Table 5 Pattern recognition accuracies of single chain CNN with stitched two-features
模型 | 识别模型 | 特征组合 | 平均准确率/% |
---|---|---|---|
16 | CNN | EKPD+DWFM | 90.06 |
17 | CNN | EKPD+CES | 89.26 |
18 | CNN | DWFM+CES | 87.88 |
19 | MobileNet | EKPD+DWFM | 90.21 |
20 | MobileNet | EKPD+CES | 88.43 |
21 | MobileNet | DWFM+CES | 87.75 |
数据集 | 受试者数量 | 运动模式 | 运动协议 | 通道数量/个 | 目标肌肉 | 采样频率/Hz | 采样设备 | 滤波降噪 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
ENABL3S | 10 | S→St→LW→ SA/RA(10°)→LW→ SD/RD(10°)→ LW→St→S | 重复25次 | 7 | TM、BF、SL、 TA、腓肠肌、股 外侧肌、半腱肌 | 1000 | Delsys DE-2.1 肌电仪 | 20~450Hz Butterworth、 60/180/300Hz 陷波整流 |
本文自测 | 1 | St→LW→SD→ LW→TR→St→LW→ SA→LW→St | 重复4组 80次 | 7 | TM、BF、SL、 TA、GM、TF、 SR | 2000 | Delsys Trigno 肌电仪 | 20~500Hz Butterworth、 50Hz陷波整流、 小波包阈值去噪 |
表6 数据集肌电采集对比研究
Table 6 Comparative survey of sEMG acquisition in datasets
数据集 | 受试者数量 | 运动模式 | 运动协议 | 通道数量/个 | 目标肌肉 | 采样频率/Hz | 采样设备 | 滤波降噪 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
ENABL3S | 10 | S→St→LW→ SA/RA(10°)→LW→ SD/RD(10°)→ LW→St→S | 重复25次 | 7 | TM、BF、SL、 TA、腓肠肌、股 外侧肌、半腱肌 | 1000 | Delsys DE-2.1 肌电仪 | 20~450Hz Butterworth、 60/180/300Hz 陷波整流 |
本文自测 | 1 | St→LW→SD→ LW→TR→St→LW→ SA→LW→St | 重复4组 80次 | 7 | TM、BF、SL、 TA、GM、TF、 SR | 2000 | Delsys Trigno 肌电仪 | 20~500Hz Butterworth、 50Hz陷波整流、 小波包阈值去噪 |
文献 | 特征维度 | 特征状态 | 仅肌电 | 识别模型 | 稳态错误率/% | 稳态准确率/% | 整体错误率/% | 整体准确率/% |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
42(GM-06) | 处理 | 否 | PCA-LDA | 3.10 | (96.90) | |||
文献[ | 64(GM-opt) | 处理 | 否 | PCA-LDA | 3.00 | (97.00) | ||
54(GA-03) | 处理 | 否 | PCA-LDA | 3.18 | (96.82) | |||
44(GA-opt) | 处理 | 否 | PCA-LDA | 3.40 | (96.60) | |||
27 | 原始 | 否 | KNN | (8.10) | 91.90 | |||
文献[ | 26 | 原始 | 否 | RF | (6.90) | 93.10 | ||
20 | 原始 | 否 | DT | (11.40) | 88.60 | |||
23 | 原始 | 否 | GaussianNB | (31.10) | 68.90 | |||
70 | 处理 | 是 | PCA-LDA | 6.61 | (93.39) | 8.66 | (91.34) | |
文献[ | 166 | 处理 | 否 | PCA-LDA | 1.25 | (98.75) | 2.09 | (97.91) |
166 | 处理 | 否 | SVM | 1.00 | (99.00) | 2.33 | (97.67) | |
166 | 处理 | 否 | ANN | 1.71 | (98.29) | 3.07 | (96.93) | |
396 | 处理 | 否 | LDA | (14.22) | 85.78 | |||
396 | 处理 | 否 | SVM | (20.83) | 79.17 | |||
文献[ | 396 | 处理 | 否 | ANN | (13.69) | 86.31 | ||
396 | 处理 | 否 | CNN | (9.07) | 90.93 | |||
396 | 处理 | 否 | DANN | (8.42) | 91.58 | |||
396 | 处理 | 否 | MCD | (6.40) | 93.60 | |||
35 | 处理 | 是 | KNN | 21.06 | 78.94 | 22.61 | 77.39 | |
35 | 处理 | 是 | RF | 19.67 | 79.33 | 22.05 | 77.95 | |
35 | 处理 | 是 | DT | 25.99 | 74.01 | 27.16 | 72.84 | |
自设对比模型 | 35 | 处理 | 是 | GaussianNB | 29.58 | 70.42 | 31.69 | 68.31 |
35 | 处理 | 是 | SVM | 27.35 | 72.65 | 28.09 | 71.91 | |
35 | 处理 | 是 | XGB | 19.33 | 80.67 | 21.56 | 78.44 | |
35 | 处理 | 是 | ANN | 29.17 | 70.83 | 30.06 | 69.94 | |
本文模型 | 7 | 处理 | 是 | CNN | (1.68) | 98.32 | (2.96) | 97.04 |
表7 不同分类模型在ENABL3S数据集上的模式识别准确率
Table 7 Pattern recognition accuracies of different classification models in ENABL3S dataset
文献 | 特征维度 | 特征状态 | 仅肌电 | 识别模型 | 稳态错误率/% | 稳态准确率/% | 整体错误率/% | 整体准确率/% |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
42(GM-06) | 处理 | 否 | PCA-LDA | 3.10 | (96.90) | |||
文献[ | 64(GM-opt) | 处理 | 否 | PCA-LDA | 3.00 | (97.00) | ||
54(GA-03) | 处理 | 否 | PCA-LDA | 3.18 | (96.82) | |||
44(GA-opt) | 处理 | 否 | PCA-LDA | 3.40 | (96.60) | |||
27 | 原始 | 否 | KNN | (8.10) | 91.90 | |||
文献[ | 26 | 原始 | 否 | RF | (6.90) | 93.10 | ||
20 | 原始 | 否 | DT | (11.40) | 88.60 | |||
23 | 原始 | 否 | GaussianNB | (31.10) | 68.90 | |||
70 | 处理 | 是 | PCA-LDA | 6.61 | (93.39) | 8.66 | (91.34) | |
文献[ | 166 | 处理 | 否 | PCA-LDA | 1.25 | (98.75) | 2.09 | (97.91) |
166 | 处理 | 否 | SVM | 1.00 | (99.00) | 2.33 | (97.67) | |
166 | 处理 | 否 | ANN | 1.71 | (98.29) | 3.07 | (96.93) | |
396 | 处理 | 否 | LDA | (14.22) | 85.78 | |||
396 | 处理 | 否 | SVM | (20.83) | 79.17 | |||
文献[ | 396 | 处理 | 否 | ANN | (13.69) | 86.31 | ||
396 | 处理 | 否 | CNN | (9.07) | 90.93 | |||
396 | 处理 | 否 | DANN | (8.42) | 91.58 | |||
396 | 处理 | 否 | MCD | (6.40) | 93.60 | |||
35 | 处理 | 是 | KNN | 21.06 | 78.94 | 22.61 | 77.39 | |
35 | 处理 | 是 | RF | 19.67 | 79.33 | 22.05 | 77.95 | |
35 | 处理 | 是 | DT | 25.99 | 74.01 | 27.16 | 72.84 | |
自设对比模型 | 35 | 处理 | 是 | GaussianNB | 29.58 | 70.42 | 31.69 | 68.31 |
35 | 处理 | 是 | SVM | 27.35 | 72.65 | 28.09 | 71.91 | |
35 | 处理 | 是 | XGB | 19.33 | 80.67 | 21.56 | 78.44 | |
35 | 处理 | 是 | ANN | 29.17 | 70.83 | 30.06 | 69.94 | |
本文模型 | 7 | 处理 | 是 | CNN | (1.68) | 98.32 | (2.96) | 97.04 |
分类器 | 超参数 |
---|---|
KNN | metric =“manhattan” |
RF | n_estimators = 100 |
DT | criterion =“gini”, splitter=“best”, min_samples_split=2, min_samples_leaf=1 |
GaussianNB | priors = None, var_smoothing=1e-09 |
SVM | decision_function_shape =“ovo”, kernel =“linear”, C = 10 |
XGB | tree_method =“hist”, tree_method =“gpu_hist” |
ANN | one hidden layer with 10 units, activation function =“hyperbolic tan”, optimizer =“SDG with momentum”, initial adaptive learning rate = 0.1 |
表8 分类模型超参数设置
Table 8 Hyperparameter settings of classification models
分类器 | 超参数 |
---|---|
KNN | metric =“manhattan” |
RF | n_estimators = 100 |
DT | criterion =“gini”, splitter=“best”, min_samples_split=2, min_samples_leaf=1 |
GaussianNB | priors = None, var_smoothing=1e-09 |
SVM | decision_function_shape =“ovo”, kernel =“linear”, C = 10 |
XGB | tree_method =“hist”, tree_method =“gpu_hist” |
ANN | one hidden layer with 10 units, activation function =“hyperbolic tan”, optimizer =“SDG with momentum”, initial adaptive learning rate = 0.1 |
[1] |
刘亚丽, 宋遒志, 赵明升, 等. 基于力位混合控制的踝关节外骨骼机器人四段式助力技术[J]. 兵工学报, 2021, 42(12): 2722-2730.
doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2021.12.020 |
doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2021.12.020 |
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[1] | 刘亚丽, 宋遒志, 赵明升, 周能兵, 刘悦. 基于力位混合控制的踝关节外骨骼机器人四段式助力技术[J]. 兵工学报, 2021, 42(12): 2722-2730. |
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