Система управления движениями пальцев на основе модели искусственной нейронной сети

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.20535/S0021347019010047

Ключові слова:

кисть руки, движения пальцев, электромиография, распознавание образов, искусственная нейронная сеть

Анотація

Поверхностный электромиографический (пЭМГ) сигнал применяется в различных сферах, где существует необходимость измерять активность мышц тела человека, например интерфейс «мозг–компьютер», индустрия игр, медицинская техника и другие практические сферы. Более того, использование пЭМГ сигнала в отрасли изготовления активных протезов является традиционным уже в течение многих лет. Однако, несмотря на тот факт, что вопрос о его использовании в сфере протезирования пальцев остается открытым, обычно пЭМГ сигнал требует многоканальных измерительных устройств или массивного объемного оборудования для точного распознания движения кистей рук или пальцев. Это снижает возможную портативность и удобство протезов, и в конечном итоге увеличивает их конечную цену. В этой статье предложен метод организации блока управления и измерения для протеза на основе модели искусственной нейронной сети (ИНС) и пЭМГ измерительной системы на основе одноканального микроконтроллера. Предлагаемая модель ИНС учитывает только 4 входных характеристики пЭМГ сигнала во временной области и обеспечивает точность 95,52% для классификации 6 различных типов движений пальца. Таким образом, данная модель представляет собой решение, пригодное для реализации в системе протезов пальцев или кисти.

Біографія автора

Костянтин Петрович Вонсевич, НТУУ "КПІ ім.Ігоря Сікорського"

Приладобудівний ф-т, кафедра Виробництва Приладів, асистент

Посилання

Chien, T.-W.; Lin, W.-S. “Simulation study of activities of daily living functions using online computerized adaptive testing,” BMC Med. Inform. Decis. Mak., Vol. 16, p. 130-140, 2016. DOI: https://doi.org/10.1186/s12911-016-0370-8.

Gulde, P.; Hermsdörfer, J. “Both hands at work: the effect of aging on upper-limb kinematics in a multi-step activity of daily living,” Exp. Brain Res., Vol. 235, No. 5, p. 1337-1348, 2017. DOI: https://doi.org/10.1007/s00221-017-4897-4.

Resnik, L.; Borgia, M.; Acluche, F. “Timed activity performance in persons with upper limb amputation: A preliminary study,” J. Hand Ther., Vol. 30, No. 4, p. 468-476, 2017. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jht.2017.03.008.

Zuniga, J. M.; Carson, A. M.; Peck, J. M.; Kalina, T.; Srivastava, R. M.; Peck, K. “The development of a low-cost three-dimensional printed shoulder, arm, and hand prostheses for children,” Prosthet. Orthot. Int., Vol. 41, No. 2, p. 205-209, 2017. DOI: https://doi.org/10.1177/0309364616640947.

Cordella, F.; Ciancio, A. L.; Sacchetti, R.; Davalli, A.; Cutti, A. G.; Guglielmelli, E.; Zollo, L. “Literature review on needs of upper limb prosthesis users,” Front. Neurosci., Vol. 10, p. 1-14, 2016. DOI: https://doi.org/10.3389/fnins.2016.00209.

Postema, S. G.; Bongers, R. M.; Brouwers, M. A.; Burger, H.; Norling-Hermansson, L. M.; Reneman, M. F.; Dijkstra, P. U.; Van der Sluis, C. K. “Upper limb absence: predictors of work participation and work productivity,” Arch. Phys. Med. Rehabil., Vol. 97, p. 892-899, 2016. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apmr.2015.12.022.

Burger, H.; Vidmar, G. “A survey of overuse problems in patients with acquired or congenital upper limb deficiency,” Prosthet. Orthot. Int., Vol. 40, p. 497-502, 2016. DOI: https://doi.org/10.1177/0309364615584658.

Widehammar, C.; Pettersson, I.; Janeslätt, G.; Hermansson, L. “The influence of environment: Experiences of users of myoelectric arm prosthesis—a qualitative study,” Prosthet. Orthot. Int., Vol. 42, No. 1, p. 28-36, 2018. DOI: https://doi.org/10.1177/0309364617704801.

Arabian, A.; Varotsis, D.; McDonnell, C.; Meeks, E. “Global social acceptance of prosthetic devices,” Proc. of IEEE Glob. Humanit. Technol. Conf., 13-16 Oct 2016, Seattle, USA. IEEE, 2016, p. 563-568. DOI: https://doi.org/10.1109/GHTC.2016.7857336.

Postema, S. G.; Bongers, R. M.; Reneman, M. F.; Van Der Sluis, C. K. “Functional capacity evaluation in upper limb reduction deficiency and amputation: Development and pilot testing,” J. Occup. Rehabil., Vol. 28, No. 1, p. 158-169, 2018. DOI: https://doi.org/10.1007/s10926-017-9703-4.

Wong, K. V.; Hernandez, A. “A review of additive manufacturing,” ISRN Mechanical Engineering, Vol. 2012, ID 208760, p. 1-10, 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.5402/2012/208760.

Kate, J. T.; Smit, G.; Breedveld, P. “3D-printed upper limb prostheses: a review,” Disability and Rehabilitation: Assistive Technology, Vol. 12, No. 3, p. 300-314, 2017. DOI: https://doi.org/10.1080/17483107.2016.1253117.

Koprnicky, J.; Najman, P.; Safka, J. “3D printed bionic prosthetic hands,” Proc. of 2017 IEEE Int. Workshop on Electronics, Control, Measurement, Signals and their Application to Mechatronics, ECMSM, 24-26 May 2017, Donostia-San Sebastian, Spain. IEEE, 2017, p. 1-6. DOI: https://doi.org/10.1109/ECMSM.2017.7945898.

Atzori, M.; Müller, H. “Control capabilities of myoelectric robotic prostheses by hand amputees: a scientific research and market overview,” Front. Syst. Neurosci., Vol. 9, p. 1-7, 2015. DOI: https://doi.org/10.3389/fnsys.2015.00162.

Cowley, B.; Filetti, M.; Lukander, K.; Torniainen, J.; Henelius, A.; Ahonen, L.; Barral, O.; Kosunen, I.; Valtonen, T.; Huotilainen, M.; Ravaja, N.; Jacucci, G. “The psychophysiology primer: a guide to methods and a broad review with a focus on human-computer interaction,” in: Foundations and Trends in Human-Computer Interaction, Vol. 9, No. 3-4, p. 150-307, 2016. DOI: https://doi.org/10.1561/1100000065.

Ma, W.; Zhang, X.; Yin, G. “Design on intelligent perception system for lower limb rehabilitation exoskeleton robot,” Proc. of IEEE 13th Int. Conf. on Ubiquitous Robot and Ambient Intelligence, 19-22 Aug 2016, Xian, China. IEEE, 2016, p. 587-592. DOI: https://doi.org/10.1109/URAI.2016.7625785.

Sharma, S.; Farooq, H.; Chahal, N. “Feature extraction and classification of surface EMG signals for robotic hand simulation,” Commun. Appl. Electron., Vol. 4, p. 27-31, 2016. DOI: http://doi.org/10.5120/cae2016652042.

Spanias, J. A.; Perreault, E. J.; Hargrove, L. J. “Detection of and compensation for EMG disturbances for powered lower limb prosthesis control,” IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng., Vol. 24, No. 2, p. 226-234, 2016. DOI: https://doi.org/10.1109/TNSRE.2015.2413393.

Gailey, A.; Artemiadis, P.; Santello, M. “Proof of concept of an online EMG-based decoding of hand postures and individual digit forces for prosthetic hand control,” Front. Neurol., Vol. 8, p. 1-15, 2017. DOI: https://doi.org/10.3389/fneur.2017.00007.

Na, Y.; Kim, S. J.; Jo, S.; Kim, J. “Ranking hand movements for myoelectric pattern recognition considering forearm muscle structure,” Med. Biol. Eng. Comput., Vol. 55, No. 8, p. 1507-1518, 2017. DOI: https://doi.org/10.1007/s11517-016-1608-4.

Ariyanto, M.; Caesarendra, W.; Mustaqim, K. A.; Irfan, M.; Pakpahan, J. A.; Setiawan, J. D.; Winoto, A. R. “Finger movement pattern recognition method using artificial neural network based on electromyography (EMG) sensor,” Proc. of Int. Conf. on Automation, Cognitive Science, Optics, Micro Electro-Mechanical System, and Information Technology, ICACOMIT, 29-30 Oct 2015, Bandung, Indonesia. IEEE, 2015, p. 12-17. DOI: https://doi.org/10.1109/ICACOMIT.2015.7440146.

Tenore, F. V. G.; Ramos, A.; Fahmy, A.; Acharya, S.; Etienne-Cummings, R.; Thakor, N. V. “Decoding of individuated finger movements using surface electromyography,” IEEE Trans. Biomed. Eng., Vol. 56, No. 5, p. 1427-1434, 2009. DOI: https://doi.org/10.1109/TBME.2008.2005485.

Zecca, M.; Micera, S.; Carrozza, M. C.; Dario, P. “Control of multifunctional prosthetic hands by processing the electromyographic signal,” Crit. Rev. Biomed. Eng., Vol. 30, No. 4-6, p. 459-485, 2002. DOI: http://doi.org/10.1615/CritRevBiomedEng.v30.i456.80.

Micera, S.; Carpaneto, J.; Raspopovic, S. “Control of hand prosthesis using peripheral information,” IEEE Rev. Biomed. Eng., Vol. 3, p. 48-68, 2010. DOI: https://doi.org/10.1109/RBME.2010.2085429.

Strazzulla, I.; Nowak, M.; Controzzi, M.; Cipriani, C.; Castellini, C. “Online bimanual manipulation using surface electromyography and incremental learning,” IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng., Vol. 25, No. 3, p. 227-234, 2017. DOI: https://doi.org/10.1109/TNSRE.2016.2554884.

Tavakoli, M.; Benussi, C.; Lourenco, J. L. “Single channel surface EMG control of advanced prosthetic hands: A simple, low cost and efficient approach,” Expert Syst. Appl., Vol. 79, p. 322-332, 2017. DOI: https://doi.org/10.1016/j.eswa.2017.03.012.

Вонсевич, К. П.; Безуглий, М. О.; Гапонюк, А. О. “Інформаційно-вимірювальна система міографу біонічного протезу кінцівки,” Перспективні технології та прилади, Т. 10, С. 32-37, 2017.

Heiderich, M.; Leonhardt, S.; Krantz, W.; Neubeck, J.; Wiedemann, J. “Method for analysing the feeling of safety at high speed using virtual test drives,” Proc. of 18 Internationales Stuttgarter Symp., Wiesbaden: Springer Vieweg, 2018, p. 875-886. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-658-21194-3_67.

Horwitz, A. “A version of Simpson’s rule for multiple integrals,” J. Computational Applied Math., Vol. 134, No. 1-2, p. 1-11, 2001. DOI: https://doi.org/10.1016/S0377-0427(00)00444-1.

Levenberg, K. “A method for the solution of certain non-linear problems in least squares,” Q. Appl. Math., Vol. 2, No. 2, p. 164-168, 1944. URI: https://www.jstor.org/stable/43633451.

Marquardt, D. W. “An algorithm for least-squares estimation of nonlinear parameters,” J. Soc. Ind. Appl. Math., Vol. 11, No. 2, p. 431-441, 1963. DOI: https://doi.org/10.1137/0111030.

Rumelhart, D. E.; Hinton, G. E.; Williams, R. J. “Learning representations by back-propagating errors,” Nature, Vol. 323, p. 533-536, 1986. DOI: https://doi.org/10.1038/323533a0.

Swets, J. A. “Measuring the accuracy of diagnostic systems,” Science, Vol. 240, No. 4857, p. 1285-1293, 1988. DOI: http://doi.org/10.1126/science.3287615.

Kim, S.; Kim, J.; Ahn, S.; Kim, Y. “Finger language recognition based on ensemble artificial neural network learning using armband EMG sensors,” Technology Health Care, Vol. 26, No. S1, p. 249-258, 2018. DOI: http://doi.org/10.3233/THC-174602.

##submission.downloads##

Опубліковано

2019-01-24

Як цитувати

Вонсевич, К. П., Гетцель, М. Ф., Мрозовски, Е., Аврейцевич, Я., & Безуглый, М. (2019). Система управления движениями пальцев на основе модели искусственной нейронной сети. Вісті вищих учбових закладів. Радіоелектроніка, 62(1), 30–44. https://doi.org/10.20535/S0021347019010047

Номер

Том 62 № 1 (2019)

Розділ

Оригінальні статті

Ліцензія

Авторське право (c) 2019 Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника

Издатель журнала Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника (сокр. "Известия вузов. Радиоэлектроника"), Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", учитывает, что доступ автора к его статье является важным как для самого автора, так и для спонсоров его исследований. Мы представлены в базе издателей SHERPA/RoMEO как зеленый издатель (green publisher), что позволяет автору выполнять самоархивирование своей статьи. Однако важно, чтобы каждая из сторон четко понимала свои права. Просьба более детально ознакомиться с Политикой самоархивирования нашего журнала.

Политика оплаченного открытого доступа POA (paid open access), принятая в журнале, позволяет автору выполнить все необходимые требования по открытому доступу к своей статье, которые выдвигаются институтом, правительством или фондом при выделении финансирования. Просьба более детально ознакомиться с политикой оплаченного открытого доступа нашего журнала (см. отдельно).

Варианты доступа к статье:

1. Статья в открытом доступе POA (paid open access)

В этом случае права автора определяются лицензией CC BY (Creative Commons Attribution).

2. Статья с последующим доступом по подписке

В этом случае права автора определяются авторским договором, приведенным далее.

  • Автор (каждый соавтор) уступает Издателю журнала «Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника» НТУУ «КПИ» на срок действия авторского права эксклюзивные права на материалы статьи, в том числе право на публикацию данной статьи издательством Аллертон Пресс, США (Allerton Press) на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems». Передача авторского права охватывает исключительное право на воспроизведение и распространение статьи, включая оттиски, переводы, фото воспроизведения, микроформы, электронные формы (он- и оффлайн), или любые иные подобные формы воспроизведения, а также право издателя на сублицензирование третьим лицам по своему усмотрению без дополнительных консультаций с автором. При этом журнал придерживается Политики конфиденциальности.
  • Передача прав включает право на обработку формы представления материалов с помощью компьютерных программам и систем (баз данных) для их использования и воспроизводства, публикации и распространения в электронном формате и внедрения в системы поиска (базы данных).
  • Воспроизведение, размещение, передача или иное распространение или использование материалов, содержащихся в статье должно сопровождаться ссылкой на Журнал и упоминанием Издателя, а именно: название статьи, имя автора (соавторов), название журнала, номер тома, номер выпуска, копирайт авторов и издателя "© Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт"; © автор(ы)".
  • Автор (каждый соавтор) материалов сохраняет все права собственника материалов, включая патентные права на любые процессы, способы или методы и др., а также права на товарные знаки.
  • Издатель разрешает автору (каждому соавтору) материалов следующее:
  1. Право пользоваться печатными или электронными вариантами материалов статьи в форме и содержании, принятыми Издателем для публикации в Журнале. Подробнее см. политики Оплаченного открытого доступа, подписки и самоархивирования.
  2. Право бесплатно копировать или передавать коллегам копию напечатанной статьи целиком или частично для их личного или профессионального использования, для продвижения академических или научных исследований или для учебного процесса или других информационных целей, не связанных с коммерческими целями.
  3. Право использовать материалы из опубликованной статьи в написанной автором (соавторами) книге, монографии, учебнике, учебном пособии и других научных и научно-популярных изданиях.
  4. Право использовать отдельные рисунки или таблицы и отрывки текста из материалов в собственных целях обучения или для включения их в другую работу, которая печатается (в печатном или электронном формате) третьей стороной, или для представления в электронном формате во внутренние компьютерные сети или на внешние сайты автора (соавторов).
  • Автор (соавторы) соглашаются, что каждая копия материалов или любая ее часть, распространенная или размещенная ими в печатном или электронном формате, будет содержать указание на авторское право, предусмотренное в Журнале и полную ссылку на Журнал Издателя.
  • Автор (соавторы) гарантирует, что материалы являются оригинальной работой и представлены впервые на рассмотрение только в этом Журнале и ранее не публиковались. Если материалы написаны совместно с соавторами, автор гарантирует, что проинформировал их относительно условий публикации материалов и получил их подписи или письменное разрешение подписываться от их имени.
  • Если в материалы включаются отрывки из работ или имеются указания на работы, которые охраняются авторским правом и принадлежат третьей стороне, то автору необходимо получить разрешение владельца авторских прав на использование таких материалов в первом случае и сделать ссылку на первоисточник во втором.
  • Автор гарантирует, что материалы не содержат клеветнических высказываний и не посягают на права (включая без ограничений авторское право, права на патент или торговую марку) других лиц и не содержат материалы или инструкции, которые могут причинить вред или ущерб третьим лицам. Автор (каждый соавтор) гарантирует, что их публикация не приведет к разглашению секретных или конфиденциальных сведений (включая государственную тайну). Подтверждением этого является Экспертное заключение (см. перечень документов в Правила для авторов).
  • Издатель обязуется опубликовать материалы в случае получения статьей положительного решения редколлегии о публикации на основании внешнего рецензирования (см. Политика рецензирования).
  • В случае публикации статьи на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems» (Издатель: Аллертон Пресс, США, распространитель Springer) автору (соавторам) выплачивается гонорар после выхода последнего номера журнала года, в котором опубликована данная статья.
  • Документ Согласие на публикацию, который подают русскоязычные авторы при подаче статьи в редакцию, является краткой формой данного договора, в котором изложены все ключевые моменты настоящего договора и наличие которого подтверждает согласие автора (соавторов) с ним. Аналогичным документом для англоязычных авторов является Copyright Transfer Agreement (CTA), предоставляемый издательством Allerton Press.
  • Настоящий Договор вступает в силу в момент принятия статьи к публикации. Если материалы не принимаются к публикации или до публикации в журнале автор (авторы) отозвал работу, настоящий Договор не приобретает (теряет) силу.