(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211155296.5 (22)申请日 2022.09.21 (71)申请人 杭州电子科技大 学 地址 310018 浙江省杭州市钱塘新区白杨 街道2号大街1 158号 (72)发明人 孟明　周广钱　席旭刚　 (51)Int.Cl. G06F 17/16(2006.01) A61B 5/11(2006.01) A61B 5/397(2021.01) (54)发明名称 基于局部L2约束非负矩阵分解的上肢运动 角度估计方法 (57)摘要 本发明涉及基于局部L2约束非负矩阵分解 的上肢运动角度估计方法， 本发明提出局部L2约 束非负矩 阵分解算法用于解决多自由度连续运 动角度估计中对不同自由度解耦不充分且解耦 效果不稳定的问题。 首先对肌电信号进行预处理 和特征提取， 然后使用NMFLC分解肌电信号获取 协同元矩阵， 使用非负最小二乘法获得激活系 数， 最后通过同一自由度的正反激活系数的线性 组合获得该自由度的估计角度。 本发 明提出的方 法能够对非激活自由度实现更好的抑制效果， 充 分解耦单自由度动作， 并且该方法实现的解耦效 果更加稳定， 一定程度上提高了多自由度连续运 动角度估计的准确性。 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 CN 115510385 A 2022.12.23 CN 115510385 A 1.基于局部L2约束非负矩阵分解的上肢运动角度估计方法， 其特征在于： 包括以下步 骤： 步骤一、 人体上肢肌电信号采集， 用户依次完成手部的单自由度动作和多自由度动作， 采用Trign o肌电采集系统， 在靠 近肘关节处均匀放置多个无线电极， 采集人体肌电信号； 步骤二、 对原始肌电信号进行预处理和特征提取， 对采集到的原始肌电信号依次进行 高通滤波、 全波整流和低通滤波， 然后采用不重叠时间窗分割肌电信号， 并提取该时间窗内 肌电信号的时域特 征； 步骤三、 分解肌电特征信号获取协同元矩阵， 使用NMFLC将肌电特征信号分解为协同元 和激活系数的乘积， 将协同元矩阵用于人体运动中关节自由度的角度估计； 步骤四、 获取测试集激活系数并估计关节运动中不同自由度的角度。 2.根据权利要求1所述的一种基于局部L2约束非负矩阵分解的上肢运动角度估计方 法， 其特征在于： 所述步骤一中所述单自由度动作包括腕部屈伸动作和握手伸手动作， 所述 多自由度动作包括腕部屈伸、 手部张合两个自由度同时运动。 3.根据权利要求2所述的一种基于局部L2约束非负矩阵分解的上肢运动角度估计方 法， 其特征在于： 所述步骤一中在靠近肘关节1/3的前臂均匀放置7个无线电极， 可以采集桡 侧腕长伸肌、 尺侧腕伸肌、 指 浅屈肌， 电极方向和肌肉纤维方向平行， 系统采样频率为2 kHz， 并经过20～45 0Hz滤波器输出信号。 4.根据权利要求1所述的一种基于局部L2约束非负矩阵分解的上肢运动角度估计方 法， 其特征在于： 所述 步骤三具体包括： 设定肌电信号特征矩阵为ZM×T， M和T分别为采集通道数和样本个数， 肌电状态可近似成 协同元矩阵WM×2N及其激活系数矩阵F2N×T的乘积： 式(1)中， Wi+(‑)为第i个协同元， 每个元素大小代表不同肌肉在这个协同元中的贡献， N 为运动涉及的自由度的个数， 本方法中N＝2， 上标 “+” “‑”分别同一自由度下的正反方向， Fi +(‑)是Wi+(‑)的激活向量， 代 表第i个协同元的激活程度； 肌电特征矩阵可以表示 为 式(2)中， F1j+(‑)(j＝1， 2， 3， 4)和F2j+(‑)(j＝1， 2， 3， 4)分别 为对应DOF1和DOF2的激活系 数， 在单自由度运动中， Fij+(‑)(i＝j＝1， 2)是目标自由度的激活系数， Fij+(‑)(i≠j； i， j＝1， 2)为非目标自由度的激活系数； 采用NMFLC方法分解肌电特 征矩阵， 其目标函数为：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115510385 A 2s.t.WM×2N≥0， F2N×T≥0             (3) 式(3)中， λ为正则化系数， 可以通过交叉验证获得； C为与F大小相等的约束矩阵， 在训 练开始前确定 C的大小， C中对应非目标自由度激活系数的元 素为1， 其 他元素为0； 可以通过乘法迭代方法求 解： W＝W.*(ZFT)./(WFFT)    (4) F＝F.*(WTZ)./(WTWF+2 λC.*F)     (5) 协同矩阵W将用于测试集角度估计。 5.根据权利要求1所述的一种基于局部L2约束非负矩阵分解的上肢运动角度估计方 法， 其特征在于： 所述 步骤四具体包括： 使用非负最小二乘法获得测试集肌电信号激活系数， 式(6)中， 为测试集肌电特征矩阵， 包含两个单自由度动作和多自由度动作的肌电时 域特征， W为式(5)求得的协同元矩阵， 为测试集激活系数， 通过同一自由度下两个激活系数的线性组合获得 该自由度的运动角度估计， τij(i,j＝1,2)的大小根据动作角度范围调整； 将平均信噪比分母改为预测角度与实际角度差值的绝对值； 式(8)中， i表示第i个单自由度动作， (Ti,Ti+1]为第i个单自由度动作的时间， Fact(t)、 Finact(t)分别为目标自由度和非目标自由度的估计角度， Hinact(t)为非目标自由度的实际 角度。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115510385 A 3