基于肌电信号的下肢关节连续运动预测

为研究不同运动模式下基于肌电信号的下肢多关节连续运动预测,通过支持向量机对肌电-运动的映射关系进行训练,实现对下肢髋、膝和踝3个关节矢状面内的连续运动预测.由10位健康受试者的运动预测和统计分析可知:在适速行走过程中,髋、膝和踝关节的关节角度预测均方根误差分别9.36°,10.82°和6.87°;在不同运动模式下,关节的运动预测值与测量值之间均表现出一定的相关性,其中,膝和髋关节的预测值与测量值之间相关系数均大于0.72,表现出比较明显的相关性.实验结果表明:基于肌电信号进行下肢多关节连续运动预测,尤其是在适速行走时对膝和髋关节的运动预测是可行的.     

跑台跑与场地跑训练对下肢肌肉群影响的比较分析

跑台跑与场地跑是长跑运动中的两种不同形式,针对这两种不同运动形式的训练对下肢肌肉的影响也有着各自的特点.以12名初中中长跑运动员为研究对象,通过肌电测试收集数据,并对数据进行分析,通过分析场地跑和跑台跑实验中受试者IEMG和MPF数据的变化,研究场地跑和跑台跑增加跑速时、以及跑台跑坡度加大后对运动员下肢肌肉群的影响.     

不同减小运动学和动力学数据误差的方法对下蹲跳运动仿真结果的影响

探究不同方法处理运动学和动力学数据对运动仿真计算结果的影响,进而减小数据误差以提高运动仿真计算结果的准确性。采集1名普通男性在校大学生的一次下蹲跳(CMJ)测试的运动学和地面反作用力(GRF)数据,分别使用直接计算方法(DK)和逆向运动学方法(IK)计算关节运动学数据;对原始GRF数据(RF)分别进行10 Hz(SF)和50 Hz(HF)的Butterworth 4阶低通滤波处理。应用Open Sim 3. 3软件结合不同方式处理的运动学和GRF数据进行CMJ运动仿真,计算CMJ过程中下肢肌肉-肌腱长度变化和下肢各关节力矩。采用复相关系数(CMC)和平均绝对变化值(MAV)来评价结果的相似性。结果显示:(1)DK和IK计算的CMJ过程的关节角度曲线相似度高,CMC值为0. 93～1. 00,但两种方法计算的髋关节内收外展角及旋转角结果间差异较大,MAV值分别为4. 40°和4. 81°;(2)DK计算的下肢环节长度最大变化量达48 mm,IK计算的下肢环节长度在CMJ过程中保持不变;(3)两种方法计算的肌肉-肌腱长度相似度与各关节角度结果相关;(4)RF、SF和HF计算所得的下肢关节力矩结果相似,但落地缓冲阶段结果差异较大。所得结论如下:(1)使用IK方法处理运动学数据更有利于减小运动学数据误差,提高运动仿真结果的准确性;(2)不同截断频率低通滤波GRF数据对关节力矩计算结果的准确性有影响。建议根据运动特征,选择不同的截断频率处理GRF数据。     

超大伸缩比机械臂结构设计及其刚度优化方法

定期清理灰库内壁板结干灰已成为保障火电厂机组安全运营的重要措施。针对现有灰库清理机器人普遍存在的清理区间局限、整机刚度不足等突出问题,通过引入基于绳排的同步伸缩驱动机构,融合轻量化高刚度的多节箱式臂体及柔性周向回转关节,创新设计出一款基于超大伸缩比机械臂的灰库全域面清理机器人。在此基础上,通过深入力学分析建立伸缩臂力学模型并提出刚度条件。利用迭代法对伸缩臂截面参数进行优化,获得不同情况下最优截面参数。仿真实验表明经刚度优化后的伸缩臂整体刚度良好,满足灰库清理机器人长期作业要求。     

基于微型传感器的虚拟人运动控制

利用传感器数据和相邻肢体段相互关联的特点,根据人体运动特征建立了层次化结构的虚拟人运动模型,通过微型传感器采集的数据驱动虚拟人每个关节旋转,计算出关节的旋转角度,给出基于下肢运动的人体位移的计算方法。最后采用微型传感器数据和前向动力学相结合的方法对虚拟人运动进行控制,实现人体运动的重现。     

处理光学捕获运动数据的算法

利用光学运动捕捉系统捕获布置在实验对象下肢的标记点的坐标, 借助测力板测量动作过程中实验对象受到的外部支反力, 编写Matlab 程序, 并导入以上数据, 实现下肢各体段的质心坐标、位移、速度和加速度, 以及各关节的角度、角速度、角加速度和关节力、关节力矩等运动参数的快速计算, 解决目前已有软件因处理手段繁琐而造成的结果输出周期过长的问题. 借用多项式拟合的方法平滑各参数的曲线图, 并与Visual 3D软件的处理结果进行对比, 验证了算法的准确性.     

人体在向后滑倒时平衡调节能力的生物力学研究

通过分析从坐到站及行走过程中多次平衡干扰对滑倒的调节效果,从运动生物力学的角度,探究在有外部干扰及疲劳滑动状态下对人体平衡能力的影响以及差异性.利用动态滑轨在受试者完成坐起动作和正常向前行走时产生突然的向前运动,使受试者产生向后跌倒的趋势.运用Noraxon表面肌电测试系统、Kistler三维测力台、BTS三维红外动作捕捉系统,以及Ariel录像分析系统,同步记录受试者在正常坐起及向后滑倒过程中的运动学、动力学和肌电参数.运用Biodex多关节等速肌力测试系统实现下肢关节肌肉的疲劳.结果表明:有效的质心调节可以使人体在遇到突然的向后滑动时保持相对稳定状态,使身体不至于产生较大的波动,充分的下肢支撑以及有效的上肢关节的调节是避免滑倒的关键.在从坐到站及人体行走过程中,地面反作用力、压力中心移动范围的值相比无干扰状态下显著增加.在从坐到站过程中突然滑动测力台,腓肠肌内侧、股二头肌,胫骨前肌和股直肌的积分肌电值较无干扰状态有了显著的增加.人体在疲劳状态下,腓肠肌内侧和股直肌肌电值明显增加.在滑台上多次的滑动训练可以提高人体平衡能力.模拟跌倒的测试可以评估人体的跌倒风险,对于老年人跌倒风险的评估也有一定的意义.      

一体化可变刚度关节结构设计与分析

为满足关节型机器人在非结构化工作环境中人机安全性与环境适应性,基于关节柔性生成机理与可变刚度关节构型特征,提出了一种新型一体化可变刚度关节。考虑到关节紧凑化、模块化与可主、被动刚度调节等设计需求,设计了凸轮型刚度调节机构作为关节刚度调节模块。基于关节数学模型提取关节刚度影响参数,在此基础上对关节主、被动刚度特性进行了分析。基于关节样机展开刚度调节性能实验,实验结果表明关节具有合理的刚度调节范围,以及动态运动过程中主、被动刚度调节能力,满足机器人工作过程中关节刚度变化需求。     

基于神经网络模型的康复运动轨迹修正算法

在康复训练中记录患者的关节运动数据意义重大,关节点的运动轨迹可以由轨迹上一系列的特征点来描述。文章针对使用Kinect 2.0获得的下肢康复运动关节点数据中的误差、抖动等一系列问题,提出了一种加入检验判别的初始化机制和采用简单权值更新策略的快速神经网络模型来修正下肢康复运动的关节点数据。实验结果表明,该模型快速有效,且在运动轨迹随时间推移而改变时响应敏捷。     

简化太极拳对下肢关节的生物力学影响

通过对30例健康成年人在简化太极拳练习过程中下肢关节角度的测量及分析，发现在整个练拳过程中，受试者下肢关节角度均值的减小具有非常显著性差异。左右下肢关节平均屈曲30～40度即处于功能位，可以有效地提高下肢不同关节周围肌群的各种工作能力，有利于加强人体的行走和跑跳功能。另外，下肢动作弧度基本不受大腿长和小腿长的影响，正说明简化太极拳是适合于不同身高、男女老少皆宜的一项健身运动项目．     

基于接触力信息的可穿戴型下肢助力机器人传感系统研究

为了从人机系统的交互运动信息获取人体下肢的运动意图,从而实现为操作者提供助力的目的,对可穿戴型下肢助力机器人感知系统进行了理论分析和技术实现.在分析整个机器人系统控制所需要的交互信息的基础上,设计了一套基于接触力信息和关节角度信息的多传感器感知系统.该系统主要包括获取腿部接触力传感器、地面反力传感器以及用于获取外骨骼机器人关节运动信息的电机编码器等.相关实验结果表明,所设计的多传感器感知系统性能稳定、实时性好,为可穿戴型下肢助力机器人目标的实现提供了保障.     

髋关节假体脱位与日常行为动作关系

以髋关节置换术后常见的脱位失效为研究对象,在Adams运动学分析软件环境下,设计并开发了可视化髋关节假体运动分析模块.该模块能够构建不同设计参数的髋关节假体模型,模拟各种行为条件下的髋关节运动,检测关节假体的活动范围.利用光学运动捕捉系统对正常人群进行日常行为的下肢运动学测量.将模块对假体的运动学分析结果与实验测量的天然关节的运动数据对比,研究并发现了髋关节假体的脱位与行为运动的关系,结果显示术后的高屈曲动作脱位风险较大,尤其是下蹲动作.
     

绳驱动拟人臂机器人的刚度分析和优化

分析了一种绳驱动拟人臂机器人的笛卡尔刚度,这种7自由度机械臂具有特殊的串并混联结构,机械臂的肩关节和腕关节均为绳驱动3自由度球关节,通过对其刚度表达式的推导,再结合串联机器人刚度分析方法,描述了机械臂整体笛卡尔刚度矩阵的求解过程.首先描述了绳驱动3自由度球关节的推导过程,用以求解肩关节和腕关节的刚度;然后计算单自由度肘关节的刚度;最后通过结合肩、肘和腕刚度得到的关节空间刚度矩阵,运用修正的一致保守变换得到绳驱动拟人臂机器人的笛卡尔刚度.基于以上的刚度分析,提出了一种刚度优化算法用于改善机器人在运动过程中的刚度,仿真分析验证了这种算法的有效性.     

人体下肢行走关节连续运动表面肌电解码方法

为实现人体下肢步态动作的连续识别,提出了一种利用表面肌电信号进行下肢关节运动角度连续解码的方法。首先利用光学运动捕捉实现下肢关节运动角度的计算,然后采集下肢运动相关主力肌肉的表面肌电信号并提取其活动强度信息;在此基础上,基于受限玻尔兹曼机构建深度自动编码器(DAE),实现多路表面肌电信号强度时间序列的低维空间编码和最优特征提取;最后,利用BP神经网络建立特征量与关节矢状面运动角度之间的非线性回归模型。实验结果表明:该方法提取的信号特征信息优于传统的主量分析方法,采用提出的模型能够更精确地估计下肢关节连续运动角度,其估计值与真实值的均方误差较传统方法降低25%~35%。研究结果为人机交互接口技术的开发、实现下肢可穿戴智能装备的生物电连续控制、提高人机运动平稳性奠定了基础。     

大跨度连续梁桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道伸缩附加力的影响因素分析

建立连续梁桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道纵向力计算模型和求解方法,分析滑动层摩擦系数、底座板伸缩刚度和扣件纵向阻力对大跨度连续梁桥上伸缩附加力的影响.结果表明:降低滑动层摩擦系数和扣件纵向阻力可以减小钢轨和底座板伸缩附加力,增加底座板伸缩刚度可以减小钢轨和桥梁墩台伸缩附加力.     

一种新型轴/径向伸缩式成型鼓及其尺度设计

针对子午线轮胎成型装备自主创新需求,提出并研究了一种新型结构紧凑、大伸缩比、高刚度的子午线轮胎成型鼓.在系统阐述其结构与传动原理的基础上,建立了成型鼓内、外瓦板各基本伸缩单元实现轴/径向伸缩运动的数学模型及其几何与运动约束方程,给出了该类成型鼓的一般设计思路和方法,并以压力角为优化目标,实现了成型鼓导向机构尺度优化设计.在此基础上,通过计算机仿真验证了设计方法的正确性和有效性.研究结果对这类新型成型鼓的工程样机的研制提供了重要的理论依据.     

浅谈跖趾关节的运动作用

<正> 长期以来,我们的运动解剖学教学,教科书以及一些国外资料,在叙述下肢运动时,一般都只描述髋、膝、踝三个关节产生各种运动的原动肌,对于足的运动、也只谈距上(踝)关节和距下关节的运动,而且多以足跖屈为主。笔者认为,在下肢运动中,尤其是走、跑、跳运动的蹬离地面的动作中,由于各运动环节是被原动肌在运固定条件下牵拉而运动的,这样足也必须作为一个运动环节参与下肢运动。所以光谈踝关节的运动是不够的。跖趾关节的作用是不容忽视的。特别是跖趾关节的背屈及其背屈肌的作用很有必要引起足够的重视。     

3-RPS并联机构静刚度建模方法

以三自由度并联动力头A3(3-RPS)为研究对象,提出了一种基于子结构综合和静态凝聚技术的静刚度建模和自重变形求解方法.建模过程中,将机构划分为动平台和RPS伸缩支链子结构,并综合考虑了铰链和支链弹性对静刚度的贡献.其中,球铰和转动副处理为具有等效刚度的集中质量虚拟弹簧;伸缩支链借助有限元软件和静态凝聚技术,建立了支链子结构质量矩阵和刚度矩阵;动平台处理为刚性质量块.通过引入变形协调条件,建立系统的整体刚度矩阵.研究结果表明,整机主刚度随机构位姿的变化而变化;在动平台连体坐标系下,3个方向线刚度呈对称分布且w向刚度最大;运动部件自重会导致动平台末端产生较大弹性变形.该方法所得静刚度变化规律通过实测结果进行了验证.     

下肢外骨骼康复机器人步态规划方法的研究

针对脑卒中偏瘫患者,依据正常人髋、膝关节运动数据建立人体关节数学模型。将Brunnstromc与训练过程中下肢肌肉表面肌电信号的变化相结合,规划出对不同患者具有适用性、针对性的人体生理学训练步态。在Visual C++开发环境下获取患者自身健康腿的关节运动数据,并结合Matcom实现混合编程,可避免医疗师将数据提取再用Matlab进行处理的过程;同时由于下肢具有的步态对称性,可作为步态协调性康复训练的参考模型。结果表明通过多方面的结合及应用,加深了对步态规划方法的认识与理解,也为康复训练临床试验及寻求更稳定合理的步态规划提供了借鉴作用。     

基于MATLAB的双足仿生电动移动平台设计

通过MATLAB设计了一种新型代步工具平台——双足仿生电动移动平台.利用MATLAB平台下的虚拟现实工具箱,视频采集工具箱以及GUI,Simulink仿真等软件,建立并驱动人体下肢三维模型,完成人体下肢运动控制仿真;在GUI人机交互界面,通过摄像头对人体下肢运动情况进行运动捕捉,提取髋骨关节、膝关节及踝关节在运动过程中...