Методи та засоби відбору й обробки біосигналів для задачі керування біонічним протезом кисті людини

Abstract

Ковалик С.В. Методи та засоби відбору й обробки біосигналів для задачі керування біонічним протезом кисті людини. - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття ступеня доктора філософії за спеціальністю 163 «Біомедична інженерія» – Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя, Тернопіль, 2026. Підготовка здійснювалась на кафедрі біотехнічних систем Тернопільського національного технічного університету імені Івана Пулюя Міністерства освіти і науки України. У дисертаційній роботі вирішено актуальне наукове завдання – розроблення методів та засобів відбору й обробки біосигналів, якими є сигнали поверхневої електроміографії та п’єзосигнали системи сенсорного зворотного зв’язку, для задачі керування біонічним протезом кисті людини. У вступі розкрито актуальність теми дослідження. Показано зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Сформовано мету та основні завдання дослідження, виокремлено об’єкт та предмет дослідження. Охарактеризовано використані методи дослідження. Сформовано наукову новизну отриманих результатів та їх практичне значення. Наведено особистий внесок здобувача в працях, які опубліковані за результатами виконання дисертаційного дослідження та результати апробації матеріалів дисертації. Описано структуру та обсяг дисертації. У першому розділі проведено комплексний аналіз теоретичних основ побудови систем керування біонічними протезами кисті та визначено ключові напрямки їх розвитку. Показано, що ефективне керування біонічним протезом можливе лише за умови реалізації замкненого контуру керування, який поєднує моторні сигнали та сенсорний зворотний зв’язок. Проаналізовано сучасні концепції реалізації сенсорного зворотного зв’язку та показано їхні недоліки чи обмеження в плані застосування в системах керування біонічними протезами. Встановлено, що основним неінвазивним джерелом інформації для керування біонічними протезами є сигнали поверхневої електроміографії, а існуючі методи реєстрації таких сигналів мають обмеження, пов’язані з якістю контакту електродів, впливом артефактів та індивідуальними особливостями користувача, що обумовлює доцільність застосування багатоканальних систем та адаптивних методів обробки сигналів. Проведено аналіз основних поширених методів обробки сигналів поверхневої електроміографії для керування біонічними протезами кисті людини, визначено їх недоліки та встановлено, що необхідним є розроблення методів обробки таких сигналів на основі методу прямого керування, із можливістю використання мультиелектодної системи реєстрації, а також введення контура сенсорного зворотного зв'язку на основі реалізації функції тактильних відчуттів із наступною інтеграцією цих двох груп методів обробки в єдину структуру керування біонічним протезом. У другому розділі було обґрунтовано структурну інтегрованої адаптивної системи керування біонічним протезом кисті, а також розроблено засоби та проведено експериментальну реєстрацію біосигналів. Запропоновано адаптивну структуру системи, в якій сигнали тактильних сенсорів використовуються не лише для формування зворотного зв’язку, але й для корекції керуючих впливів системи керування протезом. Обґрунтовано вибір та виготовлено прототип біонічного протеза, який забезпечує функціональну відповідність біомеханіці кисті людини при відносній простоті та низькій вартості. Проведено його конструктивну оптимізацію. Розроблено конструкцію мультиелектродної системи реєстрації електроміографічних сигналів та виконано інтеграцію п’єзоелектричних сенсорів у конструкцію прототипа протеза. Розроблено методику синхронної реєстрації електроміографічних та п’єзосигналів, яка базується на використанні здорової кінцівки для формування еталонних сигналів і реалізації принципу «дзеркальних рухів». Проведено експериментальну реєстрацію цих сигналів. У третьому розділі розроблено метод обробки біосигналів та побудовано інтегровану математичну модель системи керування біонічним протезом кисті, яка поєднує канал моторного наміру користувача та канал сенсорного зворотного зв’язку. Виконано аналіз властивостей електроміографічного сигналу та встановлено його нестаціонарний, стохастичний характер, широкий частотний спектр та наявність значної шумової складової. Обґрунтовано використання огинаючої сигналу як основного інформативного параметра, що відображає рівень м’язової активності та може бути безпосередньо використаний у системі керування. Аналогічно досліджено властивості п’єзосигналу, який має імпульсний характер, широкий спектр та коротку кореляційну залежність. Показано, що його огинаюча адекватно відображає силу контактної взаємодії та є ефективною для реалізації сенсорного зворотного зв’язку. Запропоновано інтегровану математичну модель системи керування. Розроблено метод віконної обробки біосигналів, який враховує нестаціонарність сигналів та особливості функціонування систем у режимі реального часу. Обгрунтовано використання каузального підходу до формування огинаючої сигналів на основі рекурсивного згладжування. Сформовано двоканальну структуру обробки біосигналів, у якій окремо формуються огинаючі електроміографічних та п’єзосигналів. У четвертому розділі проведено комплексне експериментальне дослідження розробленої системи керування біонічним протезом кисті в середовищі MATLAB, а також виконано кількісне оцінювання її основних характеристик. У процесі моделювання підтверджено працездатність інтегрованої системи біокерування, яка поєднує канал моторного наміру на основі електроміографічного сигналу та канал сенсорного зворотного зв’язку на основі п’єзосигналу. Встановлено, що система коректно відтворює процес формування керуючої напруги та сили захвату в режимі реального часу з урахуванням динаміки електромеханічного приводу. Проведено оцінювання точності формування сили, плавності керування, стабільності та сенсорної реакції системи, за результатами чого було підтверджено, що запропонована система біокерування забезпечує достатню точність формування сили захвату, формує плавні керуючі впливи без імпульсних збурень, гарантує стабільний режим утримання об’єкта та реалізує ефективний сенсорний зворотний зв’язок. Результати експериментальних досліджень підтверддили адекватність розробленої математичної моделі та ефективність запропонованих методів і алгоритмів обробки біосигналів, а запропонований підхід здатний забезпечити фізично узгоджений, стабільний і безпечний характер формування сили захвату, що відповідає вимогам до систем керування біонічними протезами кисті та підтверджує можливість його практичного застосування

Kovalyk S.V. Methods and tools for the selection and processing of biosignals for the control of a human bionic hand prosthesis. – Manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in specialty 163 «Biomedical Engineering». – Ternopil Ivan Puluj National Technical University, Ternopil, 2026. The research was conducted at the Department of Biotechnical Systems of Ternopil Ivan Puluj National Technical University of the Ministry of Education and Science of Ukraine. In the dissertation, an important scientific problem has been solved – the development of methods and means for the selection and processing of biosignals, namely surface electromyography signals and piezo signals from a sensory feedback system, for the task of controlling a bionic hand prosthesis. In the introduction, the relevance of the research topic was substantiated. The connection of the work with scientific programs, plans, and themes was demonstrated. The aim and main objectives of the research are formulated, and the object and subject of the research were identified. The used research methods were characterized. The scientific novelty of the obtained results and their practical significance were presented. The author’s personal contribution to the papers published based on the dissertation research, as well as the results of the approbation of the dissertation materials, were provided. The structure and scope of the dissertation were described. In the first chapter, a comprehensive analysis of the theoretical foundations for the construction of control systems for bionic hand prostheses was carried out, and the key directions of their development were identified. It was shown that effective control of a bionic prosthesis is possible only under the condition of implementing a closed-loop control system that integrates motor signals and sensory feedback. Modern concepts for implementing sensory feedback were analyzed, and their shortcomings or limitations in terms of application in control systems for bionic prostheses were demonstrated. It was established that the primary non-invasive source of information for controlling bionic prostheses is surface electromyography signals, and existing methods for recording such signals have limitations related to electrode contact quality, the influence of artifacts, and individual user characteristics, which substantiates the feasibility of using multichannel systems and adaptive signal processing methods. An analysis of the main commonly used methods for processing surface electromyography signals for controlling bionic hand prostheses was conducted, their drawbacks were identified, and it was established that there is a need to develop methods for processing such signals based on direct control methods, with the possibility of using a multi-electrode recording system, as well as incorporating a sensory feedback loop based on the implementation of tactile sensation functions, followed by the integration of these two groups of processing methods into a unified control structure for a bionic prosthesis. In the second chapter, the structure of an integrated adaptive control system for a bionic hand prosthesis was substantiated, and the means for biosignal selection were developed along with their experimental recording. An adaptive system structure was proposed in which signals from tactile sensors are used not only to provide feedback but also to adjust the control actions of the prosthesis control system. The selection was justified and a prototype of a bionic prosthesis was developed, ensuring functional correspondence to the biomechanics of the human hand while maintaining relative simplicity and low cost. Its design optimization was carried out. A multi-electrode system for recording electromyographic signals was designed, and piezoelectric sensors were integrated into the prosthesis prototype. A methodology for the synchronous recording of electromyographic and piezo signals was developed, based on the use of a healthy limb to generate reference signals and implement the principle of “mirror movements.” Experimental recording of these signals was conducted. In the third chapter, a method for biosignal processing was developed and an integrated mathematical model of the control system for a bionic hand prosthesis was constructed, combining the user’s motor intention channel and the sensory feedback channel. The properties of the electromyographic signal were analyzed, and its non- stationary, stochastic nature, wide frequency spectrum, and significant noise component were established. The use of the signal envelope as the main informative parameter was substantiated, as it reflects the level of muscle activity and can be directly used in the control system. Similarly, the properties of the piezo signal were studied; it is characterized by an impulsive nature, a wide spectrum, and short correlation dependence. It was shown that its envelope adequately reflects the force of contact interaction and is effective for implementing sensory feedback. An integrated mathematical model of the control system was proposed. A method of window-based biosignal processing was developed, taking into account signal non-stationarity and the specifics of real-time system operation. The use of a causal approach to envelope formation based on recursive smoothing was substantiated. A two-channel structure for biosignal processing was formed, in which the envelopes of electromyographic and piezo signals are generated separately. In the fourth chapter, a comprehensive experimental research of the developed control system for a bionic hand prosthesis was carried out in the MATLAB environment, and a quantitative evaluation of its main characteristics was performed. During the simulation, the operability of the integrated biocontrol system was confirmed, combining the motor intention channel based on the electromyographic signal and the sensory feedback channel based on the piezo signal. It was established that the system correctly reproduces the process of forming the control voltage and grip force in real time, taking into account the dynamics of the electromechanical drive. An evaluation of the accuracy of force generation, smoothness of control, stability, and sensory response of the system was conducted. The results confirmed that the proposed biocontrol system provides sufficient accuracy in grip force generation, produces smooth control actions without impulsive disturbances, ensures a stable object holding mode, and implements effective sensory feedback. Thus, the results of the experimental research confirmed the adequacy of the developed mathematical model and the effectiveness of the proposed methods and algorithms for biosignal processing. The proposed approach is capable of ensuring a physically consistent, stable, and safe formation of grip force, which meets the requirements for control systems of bionic hand prostheses and confirms the possibility of its practical application