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基于深度学习的脑控下肢康复机器人研究

基于深度学习的脑控下肢康复机器人研究

作者：王宏敏曲阜师范大学

学位级别：硕士

随着社会发展以及人民的生活水平日益提高,人们的幸福指数不断上升,生活质量的衡量标准不再仅仅局限于物质富足,而是更多地关注个体身心健康与幸福感的提升。然而对于那些具有下肢功能障碍困扰的群体而言,尽管社会整体幸福感在提高,他... 详细信息

随着社会发展以及人民的生活水平日益提高,人们的幸福指数不断上升,生活质量的衡量标准不再仅仅局限于物质富足,而是更多地关注个体身心健康与幸福感的提升。然而对于那些具有下肢功能障碍困扰的群体而言,尽管社会整体幸福感在提高,他们的生活挑战却可能因缺乏有效且可负担的康复途径而加剧。目前主流的下肢康复方式大多依赖人力一对一手动康复训练,这对普通家庭而言意味着巨大的人力、物力和财力投入。鉴于此,本文基于下肢康复机器人展开研究,利用脑机接口(Brain Computer Interface,BCI)技术以及深度学习方法研究下肢康复机器人替代人工康复训练,以减轻康复负担,提升下肢功能障碍患者的生活幸福指数。本文提出两种基于Transformer的深度学习模型来提高运动想象脑电信号(Motor Imagery EEG,MI EEG)分类识别的准确率,精准的获取患者真实运动意图,主要研究内容如下:(1)针对运动想象脑电信号的四分类任务,在本文第三章提出了一种融合一维卷积神经网络(1DCNN)与Transformer的1DCNN-Transformer模型。该模型利用1DCNN强大的局部感知能力和参数共享机制捕捉脑电信号在时序和空间维度上的局部特征模式,将原始脑电信号高效转化为高层次特征图谱,充分提取信号在局部时序和空间上的特征。随后利用Transformer的全局特征提取能力实现对运动想象脑电信号的深度全局分析与解读。通过将局部与全局特征融合模型能够更全面、精准地掌握脑电信号中的时空信息,从而实现对运动想象脑电信号的精准分类。为了验证模型的有效性与优势,我们在公开数据集上进行了分类性能验证,并与多种先进模型进行了对比。对比实验结果表明,本文提出的模型在运动想象脑电信号四分类任务上的分类性能优于其他方法,证明了模型设计的合理性与优越性。(2)在确保分类准确性的前提下,为应对脑电信号处理过程中可能遇到的计算资源限制与实时性要求,在本文第四章提出了基于自编码器的时空Transformer分类模型。该模型在保证分类性能的同时,降低模型复杂度并缩短脑电信号数据处理时间。该模型主要依赖于注意力机制来学习EEG数据的时间和空间特征,使用自编码器以及时间和空间Transformer模型来完成运动想象信号四分类任务。在整个模型中,自编码器提炼运动想象过程的潜在特征。空间Transformer的自注意力机制允许模型动态地为每个时间步长下的不同通道分配权重,从而有效地捕获空间依赖性,并将其整合进最终的决策过程中。时间Transformer进一步提炼时间维度上的特征,最终实现对运动想象脑电信号的精准分类。为验证该模型的有效性,在公开数据集上对其分类性能进行了评估,并与多种先进模型以及第三章提出的模型进行对比,充分证明了基于自编码器的时空Transformer分类模型在保持分类准确率的同时,成功实现了模型复杂度的降低与数据处理时间的缩短,为下肢康复机器人的实际应用提供了高效、轻量的解决方案。(3)考虑到下肢康复训练的有效性与个体适配问题,在本文的第五章建立基于下肢康复机器人的下肢运动学模型,并围绕此模型展开分析患者的下肢运动轨迹,深入理解其运动特性和康复进展,并利用Adams软件进行腿部运动仿真验证,动态的模拟腿部运动确保髋关节、膝关节以及踝关节在运动时的力学特性与生物力学规律保持一致。通过人机协调动力学分析患者与下肢康复机器人的交互,准确获取患者的真实运动期望,为制定精准、个性化的康复方案提供科学依据,确保康复训练紧密贴合患者的实际需求和康复进程,从而提升康复训练效果。

关键词：脑电信号运动想象深度学习分类识别下肢康复机器人

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引进小麦种质抗寒性筛选与鉴定

引进小麦种质抗寒性筛选与鉴定

作者：王宏凯塔里木大学

学位级别：硕士

小麦是重要的粮食作物之一,全世界大约有40%的人以小麦为主食;我国以冬小麦的种植面积最为广泛,产量约占小麦总产量的90%。新疆是我国重要的小麦生产基地,光热资源丰富,但冬季严寒、春季倒春寒等恶劣天气频繁发生,给新疆冬小麦生产带来... 详细信息

小麦是重要的粮食作物之一,全世界大约有40%的人以小麦为主食;我国以冬小麦的种植面积最为广泛,产量约占小麦总产量的90%。新疆是我国重要的小麦生产基地,光热资源丰富,但冬季严寒、春季倒春寒等恶劣天气频繁发生,给新疆冬小麦生产带来了严峻挑战。为了响应国家战略需求,加快新疆大粮仓建设,保障国家粮食安全稳定,为新疆尤其是南疆引进抗寒性强的冬小麦种质资源是生产上亟待解决的重要问题。本研究以引进的206份品种(系)和新疆2个主栽品种为试验材料,采用田间越冬冻害鉴定,室内低温胁迫鉴定以及利用与抗寒性相关的基因Vrn-A1、Vrn-B1、Vrn-D1进行KASP分子标记检测,通过对各试验结果进行统计、相关性分析、主成分分析、聚类分析等方法对供试种质进行综合抗寒性评价,主要研究结果如下:1.通过田间越冬冻害鉴定,对7个越冬指标统计分析表明,无冻害株数可作为田间冻害调查的主要指标;对各品种的越冬系数进行聚类分析,将208份品种聚为六类,共鉴定出极抗寒品种4份;抗寒品种51份;较抗寒品种84份;一般抗寒品种20份;不抗寒品种44份;寒敏感品种5份。2.通过室内模拟低温环境,对208份小麦品种进行鉴定,结果表明活力指数、地下根冠比、发芽势、总干重、胚芽鞘长、茎粗,这6个指标可作为小麦苗期抗寒性重要评价指标。采用隶属函数方法计算综合抗寒系数C值,对C值进行聚类分析,将208份品种聚为六类,共鉴定出极抗寒品种5份,抗寒品种6份,较抗寒6份,一般抗寒品种104份,不抗寒76份,寒敏感品种11份。3.为进一步探究生理变化情况,通过2中结论,每类材料中各挑选一部分,共计59份材料,进行CK(25℃)、T1(0℃)、T2(-4℃)处理,测定9个生理指标进行抗寒性验证,结果表明随着温度降低,叶绿素A、叶绿素B、类胡萝卜素、叶绿素A+B、过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD),呈现持续下降趋势;过氧化氢酶(CAT)呈现先升后降趋势;可溶性糖含量呈现先降低后升高趋势,丙二醛(MDA)含量呈现持续上升趋势。***分子标记检测中,基因Vrn-B1中B1b等位基因的春性小麦品种发芽率、发芽指数、活力指数及各形态指标均优于B1a等位基因的冬性小麦品种;Vrn-A1含有Claire等位基因的早花小麦品种各项发芽指标,株高、胚芽鞘长、根数、总鲜重更优异,含有Here ward等位基因的晚花小麦品种,根长、茎粗、总干重更优异;Vrn-D1中含有D1a等位基因的春性小麦品种各项发芽指标,株高、茎粗更优异,含有D1等位基因的冬性小麦品种胚芽鞘长、根长、根数、总鲜重、总干重更优异。在快速筛选抗寒性强的品种时应重点挑选Vrn-B1中含有B1b春性基因、Vrn-A1中含有Claire早花性基因、Vrn-D1中含有D1a春性基因的小麦品种。综上所述,通过田间与室内抗寒性鉴定与评价相结合,发现小麦抗寒性鉴定并不是通过单一指标或单一试验即可鉴定与评价,但其中与抗寒性相关指标有助于更好的筛选抗寒性强的小麦品种,具体指标如下,田间指标:无冻害株数。室内形态指标:活力指数、地下根冠比、发芽势、总干重、胚芽鞘长、茎粗、叶绿素,生理指标:过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD),丙二醛(MDA)、可溶性糖含量。基因指标:Vrn-B1中B1b等位基因、Vrn-A1中Claire等位基因、Vrn-D1中D1a等位基因。以上指标可作为抗寒性评价的主要鉴定指标。鉴定出不抗寒品种和寒敏感品种共计49份,该类品种不适合作为引种品种,与对照品种同为一般抗寒品种18份,优于对照品种共计139份,其中极抗寒品种4份,品种为石10-4393、偃高21、新麦45、西农887,抗寒品种51份,较抗寒品种84份。极抗寒品种可作为优先引进种质资源,抗寒品种和较抗寒品种可作为南疆抗寒性种质资源库备选品种。这些研究结果为育种实践和农业生产提供理论依据及遗传基因库,筛选出的品种将更好的投入小麦生产中。

关键词：小麦新疆产区抗寒性田间鉴定室内鉴定 KASP分子标记检测

身份认同视域下国产励志电影的小人物形象研究

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电影文学 2024年第4期 84-87页

作者：王宏李景瑞山东师范大学新闻与传媒学院山东济南250358

以《海洋天堂》《送你一朵小红花》《奇迹·笨小孩》等为代表的国产励志电影通过展演现实社会中小人物的悲喜故事,演绎出了普通小人物在大城市中生活的酸甜苦辣,挖掘出了普通小人物身上的人性之美。该类型影片在小人物的“自我存在”身... 详细信息

以《海洋天堂》《送你一朵小红花》《奇迹·笨小孩》等为代表的国产励志电影通过展演现实社会中小人物的悲喜故事,演绎出了普通小人物在大城市中生活的酸甜苦辣,挖掘出了普通小人物身上的人性之美。该类型影片在小人物的“自我存在”身份认同之中,进行着人性的探视与识别、励志话语间的视觉化呈现及隐喻化的形象表现,从而更好地审视小人物内在的精神品质,令我们受众感受逆境带来崇高美的同时,也在小人物温暖处事中感知了“不放弃、不抛弃”的情感。

关键词：励志电影小人物形象身份认同励志话语影像隐喻

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面向外骨骼性能评估的多源生理能耗预测

东北大学学报（自然科学版） 2024年第6期45卷 850-857页

作者：李坦王宏金博丕吴志伟东北大学机械工程与自动化学院辽宁沈阳110819

在外骨骼设计过程中,助力性能评估直接影响整体结构的安全性和效率.针对目前性能评估多采用单一指标问题,提出了一种基于多源生理信号(表面肌电、脉搏和呼吸)的长短期记忆(long short-term memory,LSTM)网络运动能耗预测方法.该方法首... 详细信息

在外骨骼设计过程中,助力性能评估直接影响整体结构的安全性和效率.针对目前性能评估多采用单一指标问题,提出了一种基于多源生理信号(表面肌电、脉搏和呼吸)的长短期记忆(long short-term memory,LSTM)网络运动能耗预测方法.该方法首先对生理信号进行处理和特征提取,然后使用6层LSTM模型进行预测,并使用K折交叉验证方法进行验证.同时,与决策树(decision tree,DT)和支持向量机(support vector machine,SVM)进行了对比实验.最后,建立了在线能耗监测系统,作为评估外骨骼助力性能的依据.结果表明,三源信号均方根差(root mean square error,RMSE)为0.073 kJ,证明了采用多源生理信号融合预测的可行性;LSTM的RMSE相较于DT,SVM下降了39.53%,15.68%,测试集的总能耗值误差值为23.98kJ,说明LSTM模型对于总能耗预测效果最好,可用于外骨骼的助力性能评估.

关键词：能耗预测长短期记忆外骨骼性能评估信号融合在线监测

挑战还是阻断？平台算法压力对数字零工主动服务行为的影响机制

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心理科学进展 2024年

作者：张振铎国佳宁李豪王宏蕾大连理工大学经济管理学院东北财经大学工商管理学院东北农业大学经济管理学院

零工经济新业态依托在线服务平台迅速崛起,成为创造就业机会与推动经济整体效率的重要引擎。平台在利用大数据算法提高运营效率的同时,也在全景式动态追踪数字零工的劳动过程,导致其在与算法系统和平台的互动中产生复杂多元的新型压力... 详细信息

零工经济新业态依托在线服务平台迅速崛起,成为创造就业机会与推动经济整体效率的重要引擎。平台在利用大数据算法提高运营效率的同时,也在全景式动态追踪数字零工的劳动过程,导致其在与算法系统和平台的互动中产生复杂多元的新型压力体验。然而,现有研究并未清晰界定数字零工算法压力的概念,且无法提供可靠的测量工具,上述研究缺口成为探究数字零工压力反应及其对平台服务质量影响的障碍。因此,本研究围绕“平台算法压力内涵及其对数字零工主动服务行为的差异化影响”的核心研究主题,基于算法管理功能与零工算法互动过程,创造性提出数字零工算法压力的新定义,并通过开发科学的量表工具,甄别算法压力的结构要素。在此基础上,结合压力认知评估理论,基于挑战性-阻断性压力认知评估框架揭示算法压力影响零工主动服务行为的增益路径和损耗路径,以及双元路径发挥作用的边界条件。本研究不仅拓展了零工经济背景下平台算法研究的理论框架,且能够为有效发挥在线服务平台算法的积极功能提供理论指引。

关键词：算法压力主动服务行为零工经济压力认知评估理论数字零工

中国湖泊表面积时空变化特征及其对降水、气温的响应

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水利水电技术(中英文) 2024年

作者：王晓王宏宇唐莉山西水利职业技术学院湖北省交通规划设计院股份有限公司太原理工大学

【目的】研究自然湖泊表面积的特征及背后的驱动力机制，有助于生态保护、气候变化应对、水资源管理和环境影响评估。【方法】基于由Sentinel-1卫星获取的37个月湖泊表面积数据及相应的降水、气温数据，以最大值、最小值、异系数、斜率... 详细信息

【目的】研究自然湖泊表面积的特征及背后的驱动力机制，有助于生态保护、气候变化应对、水资源管理和环境影响评估。【方法】基于由Sentinel-1卫星获取的37个月湖泊表面积数据及相应的降水、气温数据，以最大值、最小值、异系数、斜率、振幅等十个特征参数，分析中国湖泊变化的中心趋势、离散程度、分布形态等特征，以相关系数及显著性作为判别指标，分析中国湖泊表面积对降水、气温的响应特征。【结果】结果表明：北方内陆和新疆的湖泊面积较大，平均表面积高达20.56 km2，且月表面积振幅大，东南沿海诸河流域湖泊面积整体较小，平均表面积仅为1.35 km2；在湖泊表面积空间变化特征方面，东北诸江流域湖泊的月表面积CV平均值高达54.92%，变异性极高，淮河流域和珠江流域的湖泊表面积呈下降趋势，其余流域呈微弱上升趋势，其中北方内陆及新疆诸河流域上升趋势最显著，斜率为0.0044。不同湖泊体量表面积敏感性存在差异，小型湖泊更易发生面积变化，小湖泊(0～1 km2)的CV平均值达67.91%，大型湖泊(＞1000 km2)的表面积变化斜率最大为0.35；北方内陆及新疆诸河流域和西南国际河流流域的湖泊对气温变化显示出较高的敏感性，西南国际河流流域的湖泊对降水增加敏感，淮河流域展现了与降水负相关的湖泊比例较大为63%，气温对湖泊表面积的影响普遍比降水更显著。【结论】中国湖泊表面积变化具有多样性和复杂性，未来研究应进一步探讨湖泊变化的长期趋势及其生态、经济影响，以更全面地理解湖泊作为地球系统组成部分的角色和重要性。

关键词：湖泊表面积特征气温降水气候变化环境影响评估时空分布

基于位置跟踪的机械臂多电机新型滑模控制策略

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吉林大学学报（工学版） 2024年第5期54卷 1443-1458页

作者：王宏志王婷婷兰淼淼徐硕长春工业大学计算机科学与工程学院长春130012

为了解决多电机驱动的机械臂系统在复杂环境运行时,其关节位置容易受到负载等外界干扰,导致位置的跟踪误差及同步误差较大,造成系统工作性能下降等问题,提出了一种新型多电机环形耦合控制策略(NRCC)。NRCC中设置了同步比例系数保证多电... 详细信息

为了解决多电机驱动的机械臂系统在复杂环境运行时,其关节位置容易受到负载等外界干扰,导致位置的跟踪误差及同步误差较大,造成系统工作性能下降等问题,提出了一种新型多电机环形耦合控制策略(NRCC)。NRCC中设置了同步比例系数保证多电机协调运行;设计了自抗扰补偿控制器和相邻平均误差处理器,自抗扰补偿控制器通过相邻平均误差信号对电机位置控制信号进行二次补偿,减小了多电机间的同步误差;同时,提出了一种自适应神经模糊推理系统(ANFIS)优化的新型指数趋近率滑模跟踪控制器(ANFIS-SMC)和扰动观测器保证电机的位置跟踪性能。仿真结果表明:该控制策略有效地减小了多电机间的同步误差,保证了电机的高精度跟踪性能。

关键词：控制理论与控制工程机械臂多电机环形耦合控制自适应神经模糊推理系统滑模跟踪控制器

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龙葵与3种外来入侵植物对Cd的富集和生理响应差异比较

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农业环境科学学报 2024年第9期 1939-1950页

作者：陈娱王海娟王宏镔昆明理工大学环境科学与工程学院/云南省土壤固碳与污染控制重点实验室

为研究本土Cd超富集植物龙葵（Solanum nigrum L.）和3种外来入侵植物鬼针草（Bidens pilosa L.）、紫茎泽兰（Ageratina adenophora Spreng）和紫茉莉（Mirabilis jalapa L.）对Cd污染土壤修复效果和生理响应的差异，采用室内盆栽试验... 详细信息

为研究本土Cd超富集植物龙葵（Solanum nigrum L.）和3种外来入侵植物鬼针草（Bidens pilosa L.）、紫茎泽兰（Ageratina adenophora Spreng）和紫茉莉（Mirabilis jalapa L.）对Cd污染土壤修复效果和生理响应的差异，采用室内盆栽试验，通过设置0、2、10、30 mg·kg-1不同Cd含量，探究本地种龙葵与3种入侵植物在不同Cd含量处理下对Cd富集、Cd提取效率、叶片光合色素含量、抗氧化酶活性、丙二醛和可溶性糖含量的变化。结果表明：在Cd处理下，鬼针草的地上部生物量均显著高于龙葵和其余2种入侵植物。所有Cd含量处理，鬼针草Cd提取效率均最高（0.61%～1.87%），紫茉莉最低（0.02%～0.03%），龙葵（0.30%～0.79%）和紫茎泽兰（0.24%～1.06%）居中。3种Cd含量处理下，鬼针草叶片叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量在4种植物中最高，鬼针草叶片的抗氧化酶活性均显著高于龙葵，龙葵丙二醛含量显著高于入侵植物。逐步回归分析结果表明，龙葵Cd提取效率与叶片丙二醛含量呈显著负相关、与CAT活性呈显著正相关，鬼针草和紫茎泽兰Cd提取效率均与叶片丙二醛含量呈显著负相关。综上，对于含Cd 2～30 mg·kg-1的土壤进行植物修复时，入侵植物鬼针草比本地植物龙葵更具优势。

关键词：外来入侵植物 Cd 提取效率生理生化修复效果

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引入反事实基线的无人机集群对抗博弈方法

中国科学：信息科学 2024年第7期54卷 1775-1792页

作者：王尔申陈纪浩宏晨刘帆陈艾东景竑元沈阳航空航天大学电子信息工程学院沈阳110136 沈阳航空航天大学民用航空学院沈阳110136 北京联合大学多智能体系统研究中心北京100101 北京联合大学机器人学院北京100101

无人机在协同对抗博弈上的应用越来越广泛和深入,尤其是无人机集群在协同探测、全域对抗、策略骗扰等对抗任务中,发挥着越来越重要作用,可靠高效的无人机集群博弈方法是当前的研究热点.本文将反事实基线思想引入到无人机集群对抗博弈环... 详细信息

无人机在协同对抗博弈上的应用越来越广泛和深入,尤其是无人机集群在协同探测、全域对抗、策略骗扰等对抗任务中,发挥着越来越重要作用,可靠高效的无人机集群博弈方法是当前的研究热点.本文将反事实基线思想引入到无人机集群对抗博弈环境,提出一种基于反事实多智能体策略梯度(counterfactual multi-agent policy gradients,COMA)的无人机集群对抗博弈方法;在具有无限连续状态、动作的无人机对抗环境中,基于无人机动力学模型,设置符合实际环境的击敌条件和奖励函数,构建基于多智能体深度强化学习的无人机集群对抗博弈模型.红蓝双方无人机集群采取不同的对抗博弈方法,利用多智能体粒子群环境(multi-agent particle environment,MPE)对红蓝双方无人机集群进行非对称性对抗实验,实验结果表明平均累积奖励能够收敛到纳什均衡,在解决4 vs.8的对抗决策问题方面,COMA方法的平均命中率较DQN和MADDPG分别提升39%和17%,在平均胜率方面比DQN和MADDPG分别提升34%和17%.最后,通过对COMA方法的收敛性和稳定性的深入分析,保证了COMA方法在无人机集群对抗博弈任务上的实用性和鲁棒性.

关键词：无人机集群对抗博弈多智能体深度强化学习纳什均衡

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