现有的人机接口技术都存在一定的缺陷,从而严重影响了其临床应用。而基于超声信号的人机接口相较于其他生理信号人机接口技术而言,具有高的空间分辨率,能够获得深层的肌肉信息,并且对人体无害。然而,医学领域常用的B超设备笨重昂贵,不满足可穿戴的要求;加之超声频率对于探测深度与分辨率具有制约关系;因此,本文提出了一种基于单双频单振元超声探头(A型超声探头)的人机接口技术,并将之应用到灵巧手势识别以及肌肉性能评价中。首先,本文着眼于现有人机接口技术的发展现状,重点阐述了超声人机接口的优势与存在问题,从而确定了本文的主要研究内容。其次,本文进行了单频率A型超声探头的结构设计与有限元仿真。探头频率被确定为5 MHz;换能器材料选取厚度为0.34 mm,直径为6mm的1-3复合压电材料;匹配层的厚度为波长的0.2-0.3倍,声阻抗是压电材料的0.2-0.35倍。同时,对比定制探头和商用探头的性能指标,证明了定制探头在探测人体肌肉组织上的优越性。在此基础上,本文提出了并排式和圆环式双频A型超声探头的结构并进行了参数仿真。得到最优参数后,通过对比仿真和实际探头在同一负载位置的声波声压图以及频谱图,验证了仿真的结果。之后,对比了两类双频探头和单频探头的性能指标,证明了双频探头的优越性。接着,本文进行了基于单频超声探头、并排式及圆环式双频超声探头的灵巧手势识别实验。三种探头、两种分类器的四通道识别准确率最低也有94.79%;同时,两类双频超声探头无论是使用LDA分类器(p=0.0039)还是SVM分类器(p=0.0015),准确率都有一定地提升,证明了双频超声探头在手势识别上的先进性。最后,本文利用双频率超声探头提取肌肉厚度,研究肌肉厚度与肌肉力以及肌肉疲劳的关系。在肌肉厚度与肌肉力关系实验中,在力矩上升阶段,肌肉厚度会逐渐增加;而在力矩下降阶段,肌肉厚度会逐渐减小。通过拟合归一化的力矩与肌肉厚度,发现当肌肉力在上升以及下降过程中,会出现明显的“磁滞”现象。而在肌肉疲劳实验中,能够发现肌肉在逐渐疲劳的过程中,肌肉厚度随之增加,并且肌肉厚度的增速是先快后慢的。以上研究均证实了本文方案的有效性。