东北大学信息科学与工程学院

毕业设计（论文）开题报告

设计（论文）题目：

基于机器学习的人体下肢生物动力学模型设计

姓名： 葛 涛 学号：20092540

专业： 自动化 班级：0906

指导教师:王斐

实习单位：人工智能与机器人研究所

开题日期：2013 年 2 月 24日

1.课题提出

1.1课题背景、目的与意义

截至20##年底，我国老年人口数量达到1.94亿，比上年增加891万，占总人口的14.3%。人口老龄化不仅仅是人口结构的变化，对我国政治、经济、社会都将带来重大影响。老龄化的加快使社会上慢性病患者的不断增多，也推动了国际国内康复事业的发展。外骨骼系统作为康复型设备，它可以辅助病人进行康复性运动训练，通过预定的运动轨迹指导病人恢复运动或者是给病人提供辅助的外力。康复医疗的价值还体现在解决临床医疗所难以解决的问题，包括长期的功能障碍或丧失，维护残障人士的权益，使患者尽可能恢复正常的社会生活。

外骨骼助力装置是一种可以让人穿戴的人机一体化机械装置^[1]，它将人类的智力和机器人的“体力”结合在一起，靠人的生物信号及智力来共同控制，通过外骨骼给人提供助力^[2]。目前研究的外骨骼助力装置主要是分为上肢和下肢两类。下肢外骨骼助力系统用于远距离行走时给人提供外力和负重。残障人士穿戴后，可以增强他们的正常行走以及工作劳动。在工厂、消防等特殊环境下，它可以用来承担体力劳动的工人的绝大部分负重。同样，它也可以用于平常生活中，为老年人的行走提供助力。上肢外骨骼助力装置主要是用于上肢康复训练，此外，它还可以给人体的上肢活动提供助力，使人能够承受更多的负重^[3-6]。

1.2国内外现状

美国通用电气早在20世纪60年代末首次研究外骨骼助力系统，Hardiman是当时研制的全身的外骨骼。Hardiman设计用于增加士兵的负重能力，控制方面采用主-从控制系统，结构由轻质、有传感功能的内骨骼和承载重物的外骨骼组成。由于控制方面的不可控性以及偶尔外骨骼的猛烈运动，这项研究没有取得成功。另外一项早期外骨骼的研究是一个7自由度的人体上肢助力系统，由两根轴连接组成^[7]。此外，外骨骼系统被设计用于神经功能较弱的病人的恢复治疗以及宇航员的太空练习。

日本筑波大学(Tsukuba University)住20##年研制开发了机器人装混合助力腿(Hyhrid assitive limb，HAL)。该系统外形小巧，高1.6米，重23千克，供电电池使用IOOV直流电，可持续使用5小时。机械外骨骼绑缚在人腿的两侧，利用贴住腿部皮肤上的EMG传感器检测肌肉的电流，控制电动马达驱动机械外骨骼运动，以辅助腿部的动作^[8]。

美国加州大学伯克利分校机器人和人体工程实验室研制出美军“伯克利下肢外骨骼”(Berkeley lower extremity exoskeleton，BLEEX)，由背包式外架、金属腿及相应的液压驱动设备组成，机械系统采用了与人类人形结构相似的设计，背包式外架能够使使用者携带一定负荷，其有效作用力直接经由外骨骼传至地面。使用者穿上它可以自由的做蹲下、弯腿、跳跃、摆腿、行走及跑步等各种下肢运动。为了进一步达到精确性及灵活性，当电源不足时，该系统可以拆下折叠成一个背包。新加坡南洋科技人学也对行走助力装置进行了研究，设计了可穿戴式下肢外骨骼(a wearable lower extremity exoskeleton)系统。初步介绍了系统原型以及外骨骼支架、附加的柔性腰部结构以及附着在脚部的传感器等子系统，利用Adams和Matlab软件，采用ZMP方法进行了系统稳定性分析，建立了系统仿真模型及反馈控制方法^[9]。韩国汉阳大学研制了汉阳大学外骨骼辅助机器人(HEXAR)。HEXAR是“汉阳大学外骨骼辅助机器人”的英文缩写。相当于上衣的上身系统是一种机器胳膊。如果力量传感器感知到人的动作，机器胳膊就会启动，最多可以提着40公斤重物自由活动^[10]。研究组介绍说，这使成年男子的力量增加了十倍以上。下身系统足残疾人州的步行辅助器形态，人要行走的时候，压力传感器就会感知到肌肉变硬，从而使机器腿移动^[11]。

国内外对于外骨骼助力装置已有了比较多的研究报道，但他的动力学模型仍存在功能比较简单，可靠性不高等问题。现存外骨骼助力装置输入多为压力传感器信号，控制为反馈控制，模型简单，也没有机器学习能力。本文将由表面肌电信号与外骨骼输出力矩的关系，运用神经网络建立人体下肢生物动力学模型。

1.3研究内容

(1)通过表面肌电信号控制外骨骼运动的背景与发展现状

(2)检测下肢表面肌电信号，对信号分析处理提取特征

(3)由表面肌电信号与外骨骼输出力矩的关系，运用神经网络建立人体下肢生物动力学模型

(4)总结与撰写论文

2．设计方案论证

在MATLAB环境中建立一个神经网络模型^[12-14]。利用这个模型通过核心算法实现系统的训练与仿真。

本课题主要包括以下几个基本内容：

1)检测下肢表面肌电信号，对信号分析处理提取特征^[15]

2)根据下肢运动，建立下肢动力学模型

3)由表面肌电信号与外骨骼输出力矩的关系，利用神经网络建模

4)应用给出教师数据对模型进行训练和学习，得出最优的系统参数

3.开发环境及系统实现

用Matlab语言实现核心算法的编程，并且在Windonws7中用Matlab编译调试程序，完成神经网络的设计、训练和仿真。最后完成毕业设计论文。

4.论文进度计划及预期效果

表1 论文进度计划表

5．参考文献

[1]张旭.外骨骼系统中控制信号的分析与处理[D]. 青岛大学 2011,6-8

[2]H. Kazerooni, Jean-Louis Racine, Lihua Huang, Ryan Steger. Onthe Control of the Berkeley Lower Extremity Exoskeleton[J]. Pro-ceedings of the 2005IEEE International Conference on Robotics and Au-tomation . 2005,89(142):123-147

[3]费烨?.基于肌电信号控制的康复医疗下肢外骨骼设计及研究[D].浙江大学2006,7-8

[4]Alcimar Soares, Adriano Andrade, Edgard Lamounier, Renato Carrijo[J].The Development of a Virtual Myoelectric Prosthesis Controlled by an EMG Pattern Recognition System Based on Neural Networks,2003,37(60):48-59

[5]Dr A. Holobar, D. Zazula[J]. Correlation-based decomposition of surface electromyograms at low contraction forces ,2004,67(82):12-19

[6]J. U. Chu, I. Moon, S. K. Kim, M. S. Mun. Control of multifunction myoelectric hand using a real-time EMG pattern recognition. Intelligent Robots and Systems[J], IEEE/RSJ International Conference on . 2010,39(71):176-198

[7]李强.表面肌电信号的运动单位动作电位检测[D].中国科学技术大学.2008,15-17

[8]Aminzadeh. Reservoir parameter estimation using a hybrid neural network[J]. Computers and Geosciences . 2000,4(12):91-102

[9]赵豫玉.穿戴式下肢康复机器人的研究[D]. 哈尔滨工程大学 2009,20-22

[10]Claudia N lker, Helge Ritter. Visual recognition of continuous handpostures[J]. IEEE Transactions on Neural Networks . 2002,73(94):112-143

[11]Huang, Y, Englehart, KB, Hudgins, Chan, ADC.A gaussian mixture model based classification scheme for myoelectric control of powered upper limb prostheses[J]. IEEE Transactions on Biomedical Engineering . 2005,49(129):35-61

[12]X. Lanyi, A Adler. An improved method for muscle activation detection during gait[J]. Canadian Conference of Electrical and Computer Engineering . 2004,9(4)54-72

[13]Christian Fleischer, Andreas Wege, Konstantin Kondak, Gunter Hommel. Application of EMG signals for controlling exoskeleton robots[J]. Biomedizinische Technik. Berlin. 2006,43(9)11-32

[14]Hesse, S.Locomotor therapy in neuroreha bilitation[J]. Neurorehabilitation and Neural Repair . 2001,82(118):79-92

[15]陈胤,刘加海. 表面肌电信号去噪研究[J].计算机时代.2008,23(06):45-52

第二篇：大学生毕业设计开题报告

大学生毕业设计开题报告

专 业： 信息管理与信息系统

班 级： 息111

学 号： 119094285

姓 名： 杨葳

指导教师： 赵峰

一、问题的提出及发展背景

随着Internet的快速发展，互联网已成为人们快速获取、发布和传递信息的重要渠道，显然它已成为社会生活的一部分。但我国的城市公交信息查询却还处于比较落后的水平上，广大的市民获取路线信息方式也比较少，最常用的方式只局限在询问和交通地图上。而城市公交查询系统就是使人们能够在因特网上方便、简单的查询出各条路线，了解自己所经过的每个站点等信息，以便能更好的制定自己的行动计划而设计的。它主要实现的模块是公交信息的查询模块，其中包括的功能有：线路查询、站点查询、站站查询、车站查询；而系统管理模块主要实现的是对各个数据表进行添加、编辑、删除等功能操作以及对留言版进行一些相应的回复。

城市公交查询系统开发技术采用的是基于.NET的B/S架构，它的前端选用ASP.NET为主要的编程框架，其.ASPX文件包含组成用户界面的 HTML 文本和控件，而后台选用了C#编程语言。用.NET编程的最大好处在于易于管理和重用性比较高。数据库选用的是SQL Server 2000，而应用程序通过ADO.NET与SQL Server 2000数据库建立链接，并且运用SQL 语言实现对其数据库进行操作。在此系统中，大量采用了存储过程来对数据库进行操作。

当今是一个以网络为中心的信息化世界，计算机已成为广大市民不可缺少的工具。由于我国城市化进程的推进，目前城市不断地在向郊区延伸，边缘不断扩大，和郊区的边界甚至开始变得模糊化，城市公交路线不断地增多，加之众多公交路线时常调整，目前众多市民，特别是一些大中型城市的市民，对各条公交路线的信息不清楚或掌握得不准确。并且当今各大城市的家庭轿车相继增多，使城市交通出现拥堵现象。而公共交通与其它交通方式相比具有人均占用道路少、能源消耗低、运输成本低、污染相对较小、客运量大，运送效率高等优点，它是解决大、中城市交通拥堵等交通问题，所以各大城市都在积极地发展公共交通的运用。本毕业设计主要的目的就是实现公交查询以及信息发布。

本设计的预期成果是：此系统能够使用户简单的查询出他们自己想要的车次经过哪些站点，在哪一站可以转乘，然后继续换乘哪路车；也可以预先知道可以通过哪些车次可以到达目的地。在留言版中可以留下用户对系统的任何信息或者任何要求，管理员可以通过对留言版信息的解读对系统进行一系列的修改。

二、目的和意义

本项目成果提供一网上公交车查询的网站，广大社会人士通过访问该网站。

首先，有条理地、清晰地呈现出城市各条线路信息。不管城市扩展得有多大，城市公交路线增加的有多少，人们都可以通过城市公交查询系统来获得各条公交路线的详细信息。

其次，节省时间。在日益激烈地竞争环境中，时间可以说是人们最大的资本。城市公交查询系统可以为广大的市民指出一条最适合于他们自己的公交线路，减少不必要的多做车的情况，从而节省出更多的宝贵时间计划他们自己的事。

最后，消除城郊市民和外来人的不安。初到一个陌生的环境，特别是一个大城市中，许多人都会感到局促不安。城市公交查询系统可以使人们了解这个城市的一些基本情况，也可以使人们能够准确地到达他们自己想要去的地方，减少不必要的坐错车的情况。

三、需求分析

在此系统中，用户可以查询城市中的各条路线或站点，了解各条路线或站点的详细信息。如果用户要查询某一条线路或站点，直接就可以用该系统相对应的功能。本系统满足了以下几个要求：

操作的简易性：城市公交查询系统使用起来简单、方便、界面友好，用户操作起来得心应手。

系统功能：在该系统中，主要提供了以下几种功能：查询车站信息、车次信息、站点信息和站站信息功能，信息留言和问路栏，系统管理功能，附带酒店预订和当地天气预报，在查询功能中，用户输入要查询的车次等信息即可得出与它相关的结果；在系统管理功能中，管理员可以对其信息进行添加、编辑和删除等操作。

三、可行性分析

3.1 操作可行性分析

本系统界面美观明了，提供的信息语言通俗易懂，而且操作容易，用户只要懂得初步的计算机操作即可。

3.2 经济可行性分析

从成本上看来，开发及维护系统所需的计算机、网络等硬件设备，电话、网络等通信费用，软件支持等基本上都是现有的。从收益看来：本系统作为公交线路查询的具体应用，是带有实验性、贡献性的，在一定时期内无经济上收益。是注重以后的潜在发展，是在概念上、形象上的不断升值。

3.3社会环境可行性分析

如今城市改造日益加快，公交线路也不断增多，使得交通的便捷性难上加难，给出行人员选择出行乘车线路造成一定的困难，特别是在旅游城市，游客在乘公交车时选择线路比较困难，它不仅可以给市民游客的乘车提供向导，同时可以对外展现城市的现代风貌，体现出一个城市公交信息数字化和信息化的发展水平。所以本系统拥有非常成熟的市场。

工作原理：用户使用WEB浏览器通过URL访问WEB，WEB服务器请求数据库服务器，并将获得的结果以HTML的形式返回客户端浏览器，通过WEB页面上显示的表格与数据库进行交互操作。原理如图1所示。

图3.1工作原理图

四、功能描述

经过进一步的调研、讨论对该系统的需求做如下的简述：

1.系统管理员登入管理员界面后，具有删除站点、删除线路、修改站点、添加线路的功能，管理员具有普通用户所有的功能权限。

2.普通用户可以通过线路查询，用户可以获得该线路会经过的站点，地图上大致的行程路线，以及起末班时间、站点周围的相关建筑信息等等。

3.普通用户也可以在站点查询模块里的通过站点的精确查询功能根据站点的确切信息查询线路或者根据查询站点的相关信息，比如所经过该站点的线路，以及这些线路所经过的站点，查询信息。

4.普通用户还可以通过公交换乘这个功能，选择直达或是一次换乘，实现换乘信息的查询。

系统结构类图4.1如下:

图4.1系统结构类图

五、数据库设计

数据库设计在设计到后台数据库动态网页的开发中是至关重要的一个方面，设计的好坏直接影响到系统的执行功效以及日后的维护，还应考虑到良好的扩展性要求，通过需求分析，我们设计在SQL Server2000中建立一个数据库，其中包含管理员信息表、留言表、线路表、酒店表等数个表。

六、数据流图（DFD）

用户查询的DFD如下图，用户输入信息，系统处理查询信息，系统获得信息内容后，向数据库搜索查询信息，如果有，产生查询结果并且输出，如果没有，系统给出相关提示。

图6.1数据查询DFD

管理员的DFD如下图，管理员进入后台后，根据需要，对相关信息进行处理，系统提交到数据库。

图6.2管理员DFD

七、本毕业设计研究的进度计划

1． 时间：2010.9.1—2010.9.30拟定毕业设计选题

2． 时间：2010.10.1—2010.10.15对毕业设计选题进行审核

3. 时间：2010.10.16—2010.10.25毕业设计学生选题

4. 时间：2010.10.26—2010.10.30毕业设计动员大会

5. 时间：201010.31—2010.11.30查找资料并撰写文献综述

6. 时间：2010.12.1—2010.12.10撰写开题报告

7. 时间：2010.12.1—2010.12.31毕业设计第一阶段（设计框架的建立）

8． 时间：2011.3.1—2011.3.31毕业设计第二阶段（设计内容的充实）

9． 时间：2011.4.1—20114.20毕业设计第三阶段（设计内容的修改完善）

10．时间：2011.4.21—2011.4.30毕业设计说明书的撰写阶段

11．时间：2011.5.1—2011.5.14毕业设计答辩准备

12．时间：2011.5.15—2011.5.16毕业设计答辩（预计）

13．时间：2011.5.17—2011.5.30毕业设计材料的收集整理

14．时间：2011.6.1—2011.6.10学院整理11届毕业设计资料

八、本课题研究预期收获

通过对此系统的开发，希望能够更有效的把握对项目开发的进度和计划，熟悉网站系统的建设，熟练的掌握对asp.net和SQL以及相关软件如Photoshop等的应用，增加项目开发的能力，使自己获得一些工作经验。

九、参考资料

[1]曹 斌、韩中孝. ASP.NET数据库系统项目开发实践.科学出版社

[2]李若岩，徐妹，杨波. Photoshop CS2基础与实例教程.电子工业出版社

[3]陈宗兴，杜国梁. ASP.NET网络系统程序开发.中国水利水电出版社

[4]邹建.中文版SQL Server2000开发与管理应用实例.人民邮电出版社

[5] Louis Davidson. Professional SQL Server 20## Database Design.WROX

[6] Scott Mitchell、Steve Walther.ASP.NET:Tips，Tutorials，and Code.