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Novel Wearable HD-EMG Sensor With Shift-Robust Gesture Recognition Using Deep Learning

计算机科学 稳健性(进化) 可穿戴计算机 人工智能 卷积神经网络 手势识别 模式识别(心理学) 计算机视觉 语音识别 手势 嵌入式系统 生物化学 化学 基因
作者
Félix Chamberland,Étienne Buteau,Simon Tam,Evan Campbell,A Mortazavi,Erik Scheme,Paul Fortier,Mounir Boukadoum,Alexandre Campeau-Lecours,Benoît Gosselin
出处
期刊:IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:17 (5): 968-984 被引量:2
标识
DOI:10.1109/tbcas.2023.3314053
摘要

In this work, we present a hardware-software solution to improve the robustness of hand gesture recognition to confounding factors in myoelectric control. The solution includes a novel, full-circumference, flexible, 64-channel high-density electromyography (HD-EMG) sensor called EMaGer. The stretchable, wearable sensor adapts to different forearm sizes while maintaining uniform electrode density around the limb. Leveraging this uniformity, we propose novel array barrel-shifting data augmentation (ABSDA) approach used with a convolutional neural network (CNN), and an anti-aliased CNN (AA-CNN), that provides shift invariance around the limb for improved classification robustness to electrode movement, forearm orientation, and inter-session variability. Signals are sampled from a 4×16 HD-EMG array of electrodes at a frequency of 1 kHz and 16-bit resolution. Using data from 12 non-amputated participants, the approach is tested in response to sensor rotation, forearm rotation, and inter-session scenarios. The proposed ABSDA-CNN method improves inter-session accuracy by 25.67% on average across users for 6 gesture classes compared to conventional CNN classification. A comparison with other devices shows that this benefit is enabled by the unique design of the EMaGer array. The AA-CNN yields improvements of up to 63.05% accuracy over non-augmented methods when tested with electrode displacements ranging from -45 ° to +45 ° around the limb. Overall, this article demonstrates the benefits of co-designing sensor systems, processing methods, and inference algorithms to leverage synergistic and interdependent properties to solve state-of-the-art problems.
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