Abstract

Această lucrare se referă la caracterizarea și modelarea mișcării de scriere de mână umană de la două semnale de activitate musculară a antebrațului, numite semnale electromiografice (EMG). În această lucrare, a fost utilizată o abordare experimentală pentru a înregistra coordonatele unui vârf de stilou care se deplasează pe (X, y) semnalele plane și EMG în timpul actului de scriere de mână. Scopul principal este de a proiecta un nou model matematic care caracterizează acest proces biologic. Bazat pe o abordare multi-model, acest sistem a fost inițial dezvoltat pentru a genera litere și forme geometrice scrise de diferiți scriitori. Un algoritm Recursive Least Squares este utilizat pentru a estima parametrii fiecărui sub-model pe baza modelului multiplu. Simulările arată un acord bun între rezultatele prognozate și datele înregistrate.

multi-model

Introducere

Scrierea de mână, o abilitate legată de oameni, considerată un mijloc de a extinde memoria umană și de a facilita comunicarea, constă în transformarea unui limbaj în reprezentarea sa simbolică. Acest act biologic este o caracteristică individuală recunoscută oricare ar fi suporturile (masă, tabletă digitală, hârtie etc.). Într-adevăr, scrierea se menține chiar și atunci când scriem cu segmente ale corpului la fel de incongruente ca gura și piciorul. Este considerată o caracteristică individuală.

Capacitatea de a menține forme constante, în ciuda variației în dimensiune și a tipului de urme, poate fi tulburată sau pierdută prin schimbarea condițiilor de scriere, cum ar fi o persoană dreaptă (stângaci) care scrie cu mâna stângă (dreapta), o persoană care stă inconfortabil sau prin creșterea sau scăderea vitezei scrisului. Depinde și de condițiile psihologice ale scriitorului și de modul de a ține stiloul [1, 2].

Pentru a explica acest proces biologic, modelul global de scriere de mână generalizat, propus în [3], a dovedit că poziția tipului stiloului este detectată prin intermediul ochilor și transmisă la creier pentru a fi analizată și comparată cu poziția dorită. În cele din urmă, semnale din activitatea mușchilor antebrațului, numite semnale electromiografice (EMG), sunt trimise pentru a efectua mișcarea dorită pe suprafața de scriere.

Prin urmare, actul de scriere de mână este legat de activitatea mușchilor antebrațului, cum ar fi contracția și relaxarea. Fiecare mișcare a mușchilor corespunde unui model specific de activare a mai multor fibre musculare. Înregistrarea semnalelor EMG poate fi utilizată pentru a modela mișcarea scrisului de mână uman.

Având în vedere importanța acestui proces biologic, în 1962, Van Der Gon și grupul său au dezvoltat un model simplu electromecanic pentru a caracteriza mișcarea scrisului de mână [4]. O versiune electronică a fost apoi propusă de McDonald [5] care considera sistemul de scriere de mână ca o masă care se mișcă într-un mediu vâscos. Un model descris de un sistem de două ecuații diferențiale neliniare de ordinul doi a fost dezvoltat de Yasuhara pentru a integra efectul forței de frecare dintre stilou și suprafața de scriere [6]. Un nou model liniar obținut din date experimentale a fost propus de Sano în 2003 [7]. Abordări neconvenționale, bazate pe conceptele de rețele neuronale artificiale și logică fuzzy, sunt propuse pentru a caracteriza procesul de scriere de mână [8, 9]. Alte modele bazate pe profilul vitezei au fost prezentate în [10, 11].

Complexitatea și diferitele proprietăți ale procesului de scriere de mână explică rezultatele nesatisfăcătoare găsite în cercetările anterioare.

Caracteristica individuală a procesului de scriere de mână duce la gândirea unei structuri multi-model care să reprezinte acest fenomen delicat care depinde de mai mulți factori interni și externi care afectează producția de urme grafice.

Pentru a caracteriza procesul de scriere de mână uman, această lucrare tratează o abordare nouă pentru a defini o relație matematică între două semnale electromiografice ale mușchilor antebrațului și deplasarea vârfului stiloului pe (X, y) avion.

Pe baza acestei relații, lucrările anterioare au propus modele liniare de scriere de mână. Au prezentat rezultate nesatisfăcătoare datorită complexității acestui proces biologic [7, 10, 11].

Structura multi-model propusă, considerată o abordare neliniară, caracterizează scrierea unei persoane specifice din activitățile musculare ale antebrațului, indiferent de tipul urmelor grafice. Această nouă abordare este o tehnică puternică utilizată pentru a depăși dificultățile întâmpinate în modelarea complexă și neliniară. Permite descompunerea întregii zone de operare a unui proces considerat, într-un număr definit de arii de suboperare, în fiecare fiind aplicat un model local simplu. Parametrii optimi consecvenți ai modelelor locale sunt estimate utilizând metoda Recursive Least Squares [12-22].

În anumite aplicații, cum ar fi o mână protetică robotică, această abordare poate fi utilă pentru a fi utilizată ca parte a proiectării sau controlului unui braț robotizat. Poate fi folosit chiar și în aplicații militare.

Restul acestei lucrări este organizat după cum urmează: Sect. 2 descrie afirmația problemei; Sectă. 3 prezintă o abordare experimentală care permite construirea unei baze de date a urmelor grafice de scriere de mână. În cele din urmă, abordarea multi-model de scriere de mână propusă este propusă în Secte. 4 și 5 prezintă perspective concluzive.

Declarație problemă

Folosind relația dintre două semnale EMG integrate ale antebrațului și vârful stiloului de viteză X și y direcții, Sano a propus în [7] un model liniar exprimat prin următoarele formule: