[发明专利]一种基于电触觉设备的人手皮肤-电极生物阻抗模型参数估计方法

说明书

一种基于电触觉设备的人手皮肤‑电极生物阻抗模型参数估计方法。采用含遗忘因子的递推算法，用预设的遗忘因子对数据进行加权，使新的数据在参数估计中占较大权重，利用电触觉设备不断提供的新的输入输出数据改善估计精度，并在参数发生改变时修改估计值，实现参数在线实时估计，同时采用增广模型，完备合理的假设模型输出的电刺激量与实际手指电刺激量的误差为有色噪声，而不是理想状态下的白噪声，更符合实际情况，能适应不同噪声情况下的参数估计。本发明避免了递推步数过长后参数矫正能力的下降和噪声模型单一对参数估计的干扰，提高了对手指皮肤阻抗参数估计的实时性和准确性。本发明考虑周详，设计简单合理，易于实现，适应性强。

技术领域

本发明涉及用于电触觉设备中人手表皮-真皮-皮下组织电阻抗模型中的阻抗参数估计方法，尤其涉及基于含遗忘因子的递推增广最小二乘法的表皮-真皮-皮下组织电阻抗模型中的阻抗参数估计方法。

背景技术

触觉再现是指将远端环境或者虚拟环境的触觉信息借助本地触觉设备刺激人的相应感觉部位，使得人能够感觉到远端环境或虚拟环境中的各种力触觉信息(压力、振动、颤动、皮肤变形、空间分辨率、滑动感觉、纹理、材质属性、空间感觉、物体拉伸)。美国、日本和欧盟等发达国家和地区早已意识到触觉交互反馈设备的重要性，已经投入了大量人力、物力和财力进行研究。我国在这方面的研究起步晚，目前国内尚无任何人机交互触觉反馈设备的生产厂商。国内所有的商业人机交互触觉设备完全依赖进口，设备在硬件和软件的关键技术都被国外垄断，仅仅给用户开放的是一些简单的使用接口。因此，研发一种具有自主知识产权的电触觉反馈设备对于打破国外技术垄断壁垒，推动和促进力触觉反馈技术以及相关机器人领域的自主创新和科技发展具有非常重要的意义。

为了实现远端环境或虚拟环境的真实再现，触觉反馈设备的研发已经成为当前的研究热点和发展趋势。与其他类型触觉设备相比，电触觉设备存在轻巧方便、简单易行、刺激分辨率高、能量转换效率高、易和各种类型的力反馈设备集成、适应于各类微处理器进行控制等优点。然而，现有的电触觉设备人手皮肤-电极生物阻抗模型的准确性、估计算法还有待进一步提升。例如，上海交通大学张竹茂和柴新禹教授研究了电触觉设备，用于盲人阅读(详见：张竹茂,刘捷,赵瑛,任秋实,柴新禹.基于手指的触觉替代视觉系统的设计与实现[J].中国医学物理学杂志.2009,4:1293～1298.)。上海交通大学的徐飞和张定国教授设计了一种电触觉设备用于触觉替代视觉系统(详见：张竹茂.基于手指的触觉替代视觉系统的研制[D].上海交通大学硕士学位论文,2009)。重庆理工大学的蒋勤和周奇教授设计了电触觉，并进行触觉-视觉替代的研究(详见：蒋勤.基于皮肤电刺激的触觉-视觉替代系统的研究[D].重庆理工大学硕士学位论文, 2013.)。然而，上述研究都没有充分考虑人手-皮肤阻抗模型是一个时变系统，这是因为人手指皮肤的阻抗参数会随着电流的幅度和频率变化，也会受到电极直径、手指接触面积的影响。此外，Yantao Shen等将电触觉设备人手皮肤-电极生物阻抗模型简化为一阶模型，对手指皮肤-电极阻抗模型进行了估计(详见：YantaoShen,John Gregory, Ning Xi.Stimulation Current Control for Load-awareElectrotactile haptic rendering: Modeling and Simulation[J].Robotics andAutonomous Systems,2014,62:81～89.)，但是没有充分考虑手指表皮与电极间的模型参数。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于电触觉设备的人手皮肤-电极生物阻抗模型参数估计方法，针对电触觉设备中的人手皮肤-电极生物阻抗模型及其时变特性，采用含遗忘因子的递推增广最小二乘法估计实时估计生物阻抗模型的参数。本发明充分考虑了电触觉设备中人的手指皮肤和电极阻抗的生物学关系和电触觉设备中对阻抗估计实时性的要求，建立了基于电刺激的触觉设备的手指皮肤-电极生物阻抗模型，使用递推增广最小二乘法实时获得模型中各阻抗参数值。

本发明是通过以下技术方案实现的。