準確的人體運動識別對于控制可穿戴機器人及虛擬/增強現(xiàn)實等人機交互系統(tǒng)至關(guān)重要，而捕獲人體運動特征的可穿戴傳感設(shè)備是實現(xiàn)運動識別的基礎(chǔ)（作為運動識別算法的輸入）。目前，基于骨骼特征（如關(guān)節(jié)角度和足底力）的識別方法雖已取得較高精度，但由于這類特征總是滯后于實際肢體運動，會造成導致人機交互響應(yīng)延遲，影響用戶體驗。相比之下，作為驅(qū)動肢體自主關(guān)節(jié)運動的唯一動力來源，肌肉的活動通常超前于關(guān)節(jié)運動，有利于實現(xiàn)更快的人機交互響應(yīng)。此外，人體肌肉數(shù)量遠多于相應(yīng)關(guān)節(jié)，使基于肌肉的傳感方法具有更高的布點靈活性。在肌肉特征方面，機械信號（肌肉變形）比生理信號（如肌電、電阻抗）更加穩(wěn)定，不易受人體汗液或水下環(huán)境影響，更適合作為運動識別的傳感方法。然而當前的肌肉形變多限于陸地環(huán)境，在水下復雜環(huán)境的研究報道甚少。此外，肌肉形變本質(zhì)上是三維的（包括法向與切向形變），而現(xiàn)有設(shè)備大多僅能捕獲一維法向信息，忽略了重要的切向形變信息（在驅(qū)動肢體旋轉(zhuǎn)、傾斜等運動中起關(guān)鍵作用）。因此，開發(fā)能同時捕獲三維肌肉形變、適用于水陸兩棲環(huán)境的可穿戴傳感設(shè)備，具有重要的研究價值與應(yīng)用前景。

文章概述：

近日，華中科技大學醫(yī)療裝備科學與工程研究院、機械科學與工程學院的郭家杰教授課題組，研發(fā)出一種可用于水陸兩棲人體運動識別的軟磁傳感陣列。博士生劉宇超為論文第一作者，郭家杰教授為通訊作者。

該研究研制了基于疏水硅膠材料的軟磁傳感陣列，通過捕獲三維肌肉形變分布特征，實現(xiàn)對人體水陸兩棲運動的準確識別。傳感節(jié)點與電路均采用柔性結(jié)構(gòu)，能夠緊密貼合人體屈曲的肌肉表面，保證信號采集的穩(wěn)定性。該傳感陣列在水陸環(huán)境中表現(xiàn)出高度一致的測量性能，并對水流、水溫和水壓具有強魯棒性。

多通道陣列信號通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)標定和插值處理后，可有效提取肌肉形變的三維分布特征。結(jié)合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，僅使用單個傳感陣列，就能取得步態(tài)分類準確率98.73%、連續(xù)相位估計誤差2.85%的優(yōu)秀性能，這優(yōu)于目前常用的慣性測量單元（82.40和10.39%）和柔性電阻傳感陣列（89.06%和6.33%）。該軟磁傳感陣列還在機器人手的實時控制演示中，展現(xiàn)出其在動力假肢控制中的應(yīng)用潛力。本研究有望為機器人智能控制、康復進程監(jiān)測及運動科學領(lǐng)域的肌肉狀態(tài)感知提供新思路與技術(shù)支撐。

圖文導讀：

圖1.基于軟磁傳感陣列（SMSA）的水陸兩棲人類運動識別

圖2.傳感器性能表征：(a) 靈敏度；(b) 遲滯效應(yīng)；(c) 相鄰節(jié)點干擾；(d) 水流干擾；(e) 水溫干擾；(f) 靜水壓力干擾；(g) 循環(huán)壓縮；(h) 彎曲效應(yīng)；(i)-(j) 動態(tài)響應(yīng)速度；(k) 三維形變標定；(l) 水陸兩棲環(huán)境中的測量一致性

圖3.陸地行走監(jiān)測：(a) 實驗設(shè)置；(b) 肌肉形變原始信號；(c) 一個行走周期內(nèi)的肌肉形變?nèi)S分布圖；(d) 五種步態(tài)的肌肉特征；(e) 不同步態(tài)下肌肉信號的t-SNE可視化；(f) 不同周期之間信號一致性分析；(g) 行走模式分類；(h) 連續(xù)相位估計

圖4.水下游泳監(jiān)測：(a) 實驗設(shè)置；(b) 肌肉形變原始信號；(c) 一個蛙泳周期內(nèi)的肌肉形變?nèi)S分布圖；(d) 四種泳姿的肌肉特征；(e) 四種泳姿下肌肉信號的t-SNE可視化；(f) 不同周期之間信號一致性分析；(g) 游泳姿勢分類；(h) 連續(xù)相位估計

圖5.所提出的軟磁傳感陣列（SMSA）與兩種典型商用傳感器（IMU和FRSA）在水陸兩棲人體運動識別中的性能對比：(a) 全部15名受試者的對比結(jié)果；(b) 不同模型下的對比結(jié)果

圖6.基于軟磁傳感陣列的水陸兩棲手勢分類在機器人手實時控制中的應(yīng)用：(a) 機器人手實時控制流程示意圖；(b) 不同手勢及其對應(yīng)的肌肉形變特征；(c) 分類結(jié)果的t-SNE分布圖與混淆矩陣；(d) 基于手勢識別的機器人手實時控制演示

來源：https://doi.org/10.1002/aisy.202500315