基于圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的可拉伸陣列肌電傳感器，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)手勢識別
隨著基于人工智能（AI）算法的進(jìn)步，表面肌電信號（sEMG）的手勢識別精度不斷提高。時(shí)空多通道sEMG信號大大增加了任何類型研究的數(shù)據(jù)量和可靠性。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，韓國成均館大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種雙極可拉伸sEMG電極陣列，其具有基于自注意力的圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（GNN），可高精度地識別手勢。該陣列被設(shè)計(jì)為在空間上覆蓋骨骼肌，以獲取18種不同手勢的肌電信號（EMG）活動(dòng)的區(qū)域采樣數(shù)據(jù)。基于人工智能GNN的系統(tǒng)經(jīng)過訓(xùn)練，可以識別靜態(tài)和動(dòng)態(tài)手勢，準(zhǔn)確率高達(dá)97%。此外，陣列傳感器上的粘性補(bǔ)孔可實(shí)現(xiàn)類似皮膚的屬性，如可拉伸性和水蒸氣滲透性，并有助于傳輸穩(wěn)定的EMG信號。此外，即使經(jīng)過超過72小時(shí)的長期測試和10次以上的重復(fù)使用，識別準(zhǔn)確度仍保持不變（~95%）。
在本項(xiàng)研究中，可拉伸多通道sEMG傳感器系統(tǒng)的整體工作原理如下圖所示?？衫靤EMG傳感器貼片被佩戴在人體模型的前臂周圍，并且最上面有一個(gè)無線采集設(shè)備。前臂骨骼肌肉在神經(jīng)激活下與皮膚上的多通道EMG傳感器連接，以產(chǎn)生EMG信號。該信號由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)檢測，并使用板載藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行無線傳輸，隨著時(shí)間的推移，收集的原始sEMG數(shù)據(jù)集被轉(zhuǎn)換為類似圖像的表達(dá)形式，作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入數(shù)據(jù)，用于高精度手勢識別系統(tǒng)。
用于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)手勢識別系統(tǒng)的帶有GNN的可拉伸陣列sEMG傳感器概念圖
本項(xiàng)研究所開發(fā)的傳感器有2 × 10個(gè)電極，其中8對（垂直于傳感器設(shè)計(jì)的中性軸）用作雙極電極（測量電極）來記錄sEMG信號，其余4個(gè)電極用作參考電極（接地電極）以降低背景噪聲。每個(gè)電極都是六方聚酰亞胺（PI）支撐的薄金屬布局，具有基于Kirigami（一種剪紙藝術(shù)）的蛇形布線幾何結(jié)構(gòu)，稱為Kirigami蛇形金屬（KSM）電極。
不同手勢對應(yīng)的EMG信號的手勢識別精度因陣列傳感器的位置不同而不同。多次采集期間傳感器位置的偏差會導(dǎo)致精度下降。這種變化主要?dú)w因于肌肉間的串?dāng)_，因此需要一個(gè)確定的傳感器位置，以實(shí)現(xiàn)任何期望的操作目標(biāo)。研究人員總共使用了18種手勢，包括休息手勢（1種）、靜態(tài)手勢（13種）和動(dòng)態(tài)手勢（4種）。為了找到對應(yīng)于18種手勢的陣列傳感器在皮膚上的最佳位置，考慮了四個(gè)位置，并使用基于人工智能的圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，根據(jù)手勢識別精度，評估了皮膚上位置1-4中最適合的傳感器位置。位置2表現(xiàn)出97.76±0.03%的最高準(zhǔn)確度。傳感器電極位置與不同類型的肌肉很好地對準(zhǔn)，這可能是位置2具有高精度的原因。
大面積sEMG傳感器陣列，可連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測前臂的各種靜態(tài)和動(dòng)態(tài)手勢
為了確認(rèn)sEMG傳感器陣列的長期可用性，每24小時(shí)記錄一次sEMG信號，實(shí)驗(yàn)觀察到所有通道的原始sEMG信號在72小時(shí)內(nèi)幾乎沒有變化，證明了陣列傳感器的長期穩(wěn)定性。同樣，基于使用陣列傳感器測量的sEMG信號，對可重用性測試進(jìn)行了定性評估。該結(jié)果與長期可用性的結(jié)果相似，并證明了傳感器在重復(fù)取下和佩戴循環(huán)下傳輸穩(wěn)定EMG信號的魯棒性。
通過記錄18種手勢的sEMG信號和圖注意力網(wǎng)絡(luò)，評估皮膚上可拉伸陣列傳感器的長期可用性
總之，研究人員開發(fā)了一種大面積、可拉伸、雙極sEMG傳感器電極陣列，集成了板載藍(lán)牙實(shí)時(shí)采集設(shè)備，用于sEMG信號的無線監(jiān)測。研究人員同時(shí)報(bào)道了一種基于人工智能GNN的系統(tǒng)，該系統(tǒng)經(jīng)過訓(xùn)練可以識別包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)手勢在內(nèi)的18種手勢，平均準(zhǔn)確率為97%。該傳感器系統(tǒng)利用由可拉伸、粘性和透氣的貼片支撐的可拉伸電極陣列來記錄穩(wěn)定的EMG信號，以實(shí)現(xiàn)長期可用性。sEMG陣列傳感器由可拉伸的貼片機(jī)械支撐，提供了穩(wěn)定的傳感器性能，同時(shí)在長期可用性和重復(fù)可使用性下保持了幾乎相同的手勢識別精度。由于手勢的快速準(zhǔn)確識別，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)從義肢到虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）的高效控制應(yīng)用。它甚至可能適用于手語，在手語中，視覺交流模式可以通過手勢或手語進(jìn)行，這種手勢或手語通常由聽力障礙者和聾人使用。
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