基于肌电信号和自适应神经模糊推理系统(ANFIS)的手势预测决策机制

IF 1 4区工程技术 Q3 ENGINEERING, MULTIDISCIPLINARY

Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University Pub Date : 2023-01-06 DOI:10.17341/gazimmfd.1025221

Deniz Hande KISA>, Mehmet Akif ÖZDEMİR>, Onan GÜREN>, Ayşegül ALAYBEYOĞLU SOY>

{"title":"基于肌电信号和自适应神经模糊推理系统(ANFIS)的手势预测决策机制","authors":"Deniz Hande KISA>, Mehmet Akif ÖZDEMİR>, Onan GÜREN>, Ayşegül ALAYBEYOĞLU SOY>","doi":"10.17341/gazimmfd.1025221","DOIUrl":null,"url":null,"abstract":"Üst ekstremite hareketi tam olarak sağlanamadığında, yapay zeka (artificial intelligence/AI) sistemleri kullanıcılara amaçlanan hareketin uygulanması konusunda yardımcı olurlar. Kas aktivitesinin temsili olan elektromiyografi (EMG), sanal gerçeklik uygulamaları ve protez kontrolleri gibi AI-tabanlı sistemlerde kullanıldığında çeşitli faydalar sağlar. Bu çalışmada, bahsedilen sistemlere etkin kontrol sunmak ve tahmin performanslarını iyileştirmek amacıyla bulanık mantık (Fuzzy Logic/FL)-tabanlı bir karar verme mekanizması sunulmuştur. Bu bağlamda, 30 katılımcıdan yedi farklı el hareketini taklit etmesi sonucunda oluşan EMG sinyalleri toplandı. Gerekli ön işleme ve bölütleme işlemlerinin ardından elde edilen sinyallere Hilbert-Huang Dönüşümü'nün (HHD) ilk aşaması Görgül Kip Ayrışımı (GKA) metodu uygulandı ve İçsel Mod Fonksiyonları (İMF) elde edildi. İstatistiksel İMF seçim yöntemi ile belirlenen İMF’lere HHD uygulanmasıyla iyi çözünürlüklü zaman-frekans (time-frequency/TF) imgeleri elde edildi. Zaman ve frekans uzayının ortak temsiline dayalı görselleştirilmiş TF imgelerinden çeşitli ayırt edici öznitelikler çıkartıldı. İki farklı kümeleme tekniği uygulanan öznitelik veri seti, Uyarlamalı Sinirsel Bulanık Çıkarım Sistemi'ne (ANFIS) girdi olarak verildi. Yedi el hareketi sınıflandırması için Azaltımlı (Subtractive Clustering/SC) ve Bulanık C-ortalama (Fuzzy C-mean/FCM) kümeleme yöntemleri için ortalama doğruluk değerleri sırasıyla %93,88 ve %92,10 olarak elde edilmiştir. TF temsiline dayalı özniteliklerin FL yaklaşımlarıyla sınıflandırılması sonucu elde edilen bulgular, EMG gibi durağan ve doğrusal olmayan biyolojik sinyallerin sınıflandırılması için umut verici olduğunu göstermiştir.","PeriodicalId":51103,"journal":{"name":"Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University","volume":"25 1","pages":"0"},"PeriodicalIF":1.0000,"publicationDate":"2023-01-06","publicationTypes":"Journal Article","fieldsOfStudy":null,"isOpenAccess":false,"openAccessPdf":"","citationCount":"1","resultStr":"{\"title\":\"A decision-making mechanism based on EMG signals and adaptive neural fuzzy inference system (ANFIS) for hand gesture prediction\",\"authors\":\"Deniz Hande KISA>, Mehmet Akif ÖZDEMİR>, Onan GÜREN>, Ayşegül ALAYBEYOĞLU SOY>\",\"doi\":\"10.17341/gazimmfd.1025221\",\"DOIUrl\":null,\"url\":null,\"abstract\":\"Üst ekstremite hareketi tam olarak sağlanamadığında, yapay zeka (artificial intelligence/AI) sistemleri kullanıcılara amaçlanan hareketin uygulanması konusunda yardımcı olurlar. Kas aktivitesinin temsili olan elektromiyografi (EMG), sanal gerçeklik uygulamaları ve protez kontrolleri gibi AI-tabanlı sistemlerde kullanıldığında çeşitli faydalar sağlar. Bu çalışmada, bahsedilen sistemlere etkin kontrol sunmak ve tahmin performanslarını iyileştirmek amacıyla bulanık mantık (Fuzzy Logic/FL)-tabanlı bir karar verme mekanizması sunulmuştur. Bu bağlamda, 30 katılımcıdan yedi farklı el hareketini taklit etmesi sonucunda oluşan EMG sinyalleri toplandı. Gerekli ön işleme ve bölütleme işlemlerinin ardından elde edilen sinyallere Hilbert-Huang Dönüşümü'nün (HHD) ilk aşaması Görgül Kip Ayrışımı (GKA) metodu uygulandı ve İçsel Mod Fonksiyonları (İMF) elde edildi. İstatistiksel İMF seçim yöntemi ile belirlenen İMF’lere HHD uygulanmasıyla iyi çözünürlüklü zaman-frekans (time-frequency/TF) imgeleri elde edildi. Zaman ve frekans uzayının ortak temsiline dayalı görselleştirilmiş TF imgelerinden çeşitli ayırt edici öznitelikler çıkartıldı. İki farklı kümeleme tekniği uygulanan öznitelik veri seti, Uyarlamalı Sinirsel Bulanık Çıkarım Sistemi'ne (ANFIS) girdi olarak verildi. Yedi el hareketi sınıflandırması için Azaltımlı (Subtractive Clustering/SC) ve Bulanık C-ortalama (Fuzzy C-mean/FCM) kümeleme yöntemleri için ortalama doğruluk değerleri sırasıyla %93,88 ve %92,10 olarak elde edilmiştir. TF temsiline dayalı özniteliklerin FL yaklaşımlarıyla sınıflandırılması sonucu elde edilen bulgular, EMG gibi durağan ve doğrusal olmayan biyolojik sinyallerin sınıflandırılması için umut verici olduğunu göstermiştir.\",\"PeriodicalId\":51103,\"journal\":{\"name\":\"Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University\",\"volume\":\"25 1\",\"pages\":\"0\"},\"PeriodicalIF\":1.0000,\"publicationDate\":\"2023-01-06\",\"publicationTypes\":\"Journal Article\",\"fieldsOfStudy\":null,\"isOpenAccess\":false,\"openAccessPdf\":\"\",\"citationCount\":\"1\",\"resultStr\":null,\"platform\":\"Semanticscholar\",\"paperid\":null,\"PeriodicalName\":\"Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University\",\"FirstCategoryId\":\"1085\",\"ListUrlMain\":\"https://doi.org/10.17341/gazimmfd.1025221\",\"RegionNum\":4,\"RegionCategory\":\"工程技术\",\"ArticlePicture\":[],\"TitleCN\":null,\"AbstractTextCN\":null,\"PMCID\":null,\"EPubDate\":\"\",\"PubModel\":\"\",\"JCR\":\"Q3\",\"JCRName\":\"ENGINEERING, MULTIDISCIPLINARY\",\"Score\":null,\"Total\":0}","platform":"Semanticscholar","paperid":null,"PeriodicalName":"Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University","FirstCategoryId":"1085","ListUrlMain":"https://doi.org/10.17341/gazimmfd.1025221","RegionNum":4,"RegionCategory":"工程技术","ArticlePicture":[],"TitleCN":null,"AbstractTextCN":null,"PMCID":null,"EPubDate":"","PubModel":"","JCR":"Q3","JCRName":"ENGINEERING, MULTIDISCIPLINARY","Score":null,"Total":0}

引用次数: 1

摘要

当上肢运动无法完全实现时，人工智能（AI）系统可帮助用户实现预期运动。肌电图（EMG）是肌肉活动的一种表现形式，在虚拟现实应用和假肢控制等基于人工智能的系统中使用时能带来各种好处。本研究提出了一种基于模糊逻辑（FL）的决策机制，为这些系统提供有效控制，并提高其预测性能。为此，研究人员收集了 30 名参与者模仿七种不同手部动作时的肌电信号。在对信号进行必要的预处理和分割后，对获得的信号应用了希尔伯特-黄变换（HHD）的第一阶段--特定模式分解（SPD）方法，并获得了内在模式函数（IMF）。通过对统计 IMF 选择方法确定的 IMF 应用 HHD，获得了分辨率较高的时频（time-frequency/TF）图像。根据时间和频率空间的联合表示法，从可视化的 TF 图像中提取了各种判别特征。应用了两种不同的聚类技术，并将特征数据集作为自适应神经模糊推理系统（ANFIS）的输入。减法聚类（SC）和模糊 C-均值（FFCM）聚类方法的平均准确率分别为 93.88% 和 92.10%。基于 TF 表示法和 FL 方法的特征分类结果表明，该方法在肌电图等静态和非线性生物信号的分类中大有可为。

本文章由计算机程序翻译，如有差异，请以英文原文为准。

查看原文本刊更多论文

A decision-making mechanism based on EMG signals and adaptive neural fuzzy inference system (ANFIS) for hand gesture prediction

Üst ekstremite hareketi tam olarak sağlanamadığında, yapay zeka (artificial intelligence/AI) sistemleri kullanıcılara amaçlanan hareketin uygulanması konusunda yardımcı olurlar. Kas aktivitesinin temsili olan elektromiyografi (EMG), sanal gerçeklik uygulamaları ve protez kontrolleri gibi AI-tabanlı sistemlerde kullanıldığında çeşitli faydalar sağlar. Bu çalışmada, bahsedilen sistemlere etkin kontrol sunmak ve tahmin performanslarını iyileştirmek amacıyla bulanık mantık (Fuzzy Logic/FL)-tabanlı bir karar verme mekanizması sunulmuştur. Bu bağlamda, 30 katılımcıdan yedi farklı el hareketini taklit etmesi sonucunda oluşan EMG sinyalleri toplandı. Gerekli ön işleme ve bölütleme işlemlerinin ardından elde edilen sinyallere Hilbert-Huang Dönüşümü'nün (HHD) ilk aşaması Görgül Kip Ayrışımı (GKA) metodu uygulandı ve İçsel Mod Fonksiyonları (İMF) elde edildi. İstatistiksel İMF seçim yöntemi ile belirlenen İMF’lere HHD uygulanmasıyla iyi çözünürlüklü zaman-frekans (time-frequency/TF) imgeleri elde edildi. Zaman ve frekans uzayının ortak temsiline dayalı görselleştirilmiş TF imgelerinden çeşitli ayırt edici öznitelikler çıkartıldı. İki farklı kümeleme tekniği uygulanan öznitelik veri seti, Uyarlamalı Sinirsel Bulanık Çıkarım Sistemi'ne (ANFIS) girdi olarak verildi. Yedi el hareketi sınıflandırması için Azaltımlı (Subtractive Clustering/SC) ve Bulanık C-ortalama (Fuzzy C-mean/FCM) kümeleme yöntemleri için ortalama doğruluk değerleri sırasıyla %93,88 ve %92,10 olarak elde edilmiştir. TF temsiline dayalı özniteliklerin FL yaklaşımlarıyla sınıflandırılması sonucu elde edilen bulgular, EMG gibi durağan ve doğrusal olmayan biyolojik sinyallerin sınıflandırılması için umut verici olduğunu göstermiştir.

求助全文

通过发布文献求助，成功后即可免费获取论文全文。去求助

来源期刊

Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University ENGINEERING, MULTIDISCIPLINARY-

CiteScore

1.90

自引率

45.50%

发文量

审稿时长

6-12 weeks

期刊介绍： Gazi University Journal of the Faculty of Engineering and Architecture; Engineering qualifications described below and in the field of architecture research papers and invited articles by scanning is considered to be Turkish.