3.2.2

肌电手势数据集


肌电手势数据集以前臂表面肌电信号(sEMG)为核心采集对象,目标是建立肌肉激活模式与手势类别之间的可重复映射关系。当前主流数据集可分为两类:以 Ninapro 系列为代表的标准稀疏电极数据集,以及以 CapgMyo 和 CSL-HDEMG 为代表的高密度 sEMG 数据集。

肌电手势数据集对比矩阵 · 13 个数据集 独立窗口 ↗

Ninapro 系列

Ninapro(Non-Invasive Adaptive Prosthetics)是目前规模最大、覆盖最系统的公开肌电手势数据库,由瑞士 HES-SO 等机构持续构建,自 2014 年起陆续发布 10 个子数据库(DB1–DB10),累计覆盖 180 余项数据采集,受试者兼含健全人与前臂截肢者。

DB1–DB7 的采集遵循统一范式:受试者观看屏幕上的手势示范视频,依次重复执行每类手势 10 次,分三个练习组完成——手指基本动作、等距/等张手部配置与基本腕部动作、握持与功能性动作。

数据库年份手势类受试者通道数采样率传感器模态核心研究问题
DB12014522710100 HzsEMG + 运动学分类基准建立
DB220144940122000 HzsEMG + 运动学 + IMU + 力多模态扩展
DB320144911(截肢)122000 HzsEMG + 运动学 + IMU + 力截肢者适用性
DB420175210122000 HzsEMG + 运动学采集设备对比
DB52017521016200 HzsEMG + 运动学低成本 Myo Armband
DB62017710142000 HzsEMG跨日重复性
DB720174022122000 HzsEMG + IMUIMU 辅助控制
DB8201991282000 HzsEMG指关节连续解码
DB920205277100 Hz仅运动学运动学基准库
DB1020201545162000 HzsEMG + IMU + 眼动假肢+眼手协调

三个关键节点

DB3(2014)——截肢者数据的引入。在 DB1/DB2 健全受试者基准建立后,DB3 立即纳入 11 名前臂截肢者,测试幻肢运动意图的 sEMG 可识别性。截肢者的残端肌肉激活模式与健全人存在显著差异,DB3 的加入使 Ninapro 具备了临床假肢控制研究的基础条件。

DB6(2017)——跨日稳定性的正视。DB6 专门针对 sEMG 的时间非平稳性问题设计,要求同一受试者在连续 5 天、每天 2 次的条件下重复采集相同的 7 类抓握手势。这是 Ninapro 系列中唯一以稳定性衰减而非分类准确率为核心研究目标的数据库。

DB8(2019)——从分类到回归的范式转变。DB8 放弃离散手势分类,转而采集连续手指动作的关节角度序列,任务目标变为从 8 通道 sEMG 连续预测指关节弯曲角度。这标志着肌电领域进入连续解码范式。

高密度 sEMG 数据集

标准稀疏电极(8–16 通道)仅能捕获局部肌肉的平均激活强度,而高密度 sEMG(HD-sEMG)通过密集电极阵列获取前臂肌肉的空间激活分布图,从根本上改变了特征提取的信息维度。

CapgMyo DB-a(2016)由浙江大学发布,采用 8×16 矩阵差分电极阵列,共 128 个通道。核心贡献在于将 sEMG 信号视为二维肌电图像处理:每个时刻的 128 通道信号构成一张空间激活热力图,单帧可达 89.3% 识别准确率,结合多数投票机制可提升至 99%。

CSL-HDEMG(2015)由不来梅大学发布,采用 7×24 双极电极阵列,共 192 个通道(业界通道密度最高),采样率 2048 Hz。其通道数消融实验可量化确定维持特定精度所需的最低电极密度,为可穿戴设备硬件设计提供直接依据。

EMGLAB 平台

EMGLAB 并非手势分类数据集,而是一个用于 EMG 信号分解与标注的软件平台与数据库站点,主要用于运动单位分解(Motor Unit Decomposition)、神经肌肉疾病研究和针极/表面 EMG 信号分析,最初面向 ALS 等神经退行性疾病研究。

以 EMGLAB 中常用的 N2001 数据库为例:包含正常对照组(10 名,21–37 岁)、肌病患者组(7 名)和 ALS 患者组(8 名)的 EMG 记录,采自针极/细针电极,每条信号有高采样率原始 EMG 波形,常被机器学习和医学信号分析研究引用。EMGLAB 的价值在于提供了高质量的临床 EMG 基准数据,为手势识别算法在医疗场景的适用性研究提供参照。

CapgMyo 与 CSL-HDEMG 代表了高密度 sEMG 数据集的两种设计哲学:前者以瞬时图像为核心,追求单帧识别率;后者以通道消融为核心,追求最低硬件成本下的精度下限。两者共同推动了 HD-sEMG 从实验室走向可穿戴设备的工程化路径。