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膝关节角度及压力变化对女性腿部截面曲率的影响

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服装学报 2022年第2期7卷 122-128页

作者：师亚楠方琦陈郁上海工程技术大学纺织服装学院上海201620

为研究膝关节角度、测量点压力两者对大腿根部曲率变化的影响,选取8名体型相近、腿型正常的青年女性进行实验。采用手持式三维人体扫描仪获取3个不同等级压缩袜下的大腿根部截面(包括前、后、外、内),再用压力测量系统分别测量4个点的... 详细信息

为研究膝关节角度、测量点压力两者对大腿根部曲率变化的影响,选取8名体型相近、腿型正常的青年女性进行实验。采用手持式三维人体扫描仪获取3个不同等级压缩袜下的大腿根部截面(包括前、后、外、内),再用压力测量系统分别测量4个点的曲率及相应压力,并分析穿着同一等级压缩袜时,不同膝关节角度与截面曲率关系,以及同一膝关节角度、测量点压力与截面曲率的关系。研究表明:穿着同一等级压缩袜且膝关节为100°时,后测量点曲率值最大,曲率随膝关节角度的增大而递减,膝关节角度与曲率的关系用二次函数可以准确描述;在膝关节角度不变时,穿着不同等级压缩袜,腿部受到各方向压力时截面形状逐渐趋近于圆形,测量点压力与截面曲率变化趋势一致且为正相关。该结论对压缩袜及紧身裤装的设计与制作具有一定的参考作用。

关键词：压缩袜膝关节角度服装压曲率

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不同膝关节角度时股四头肌的电机械应答规律

不同膝关节角度时股四头肌的电机械应答规律

作者：徐金彩苏州大学

学位级别：硕士

研究目的：膝关节是人们最重要的关节之一，而髌键末端病等膝关节病给人们的生活造成巨大困扰。髌腱是股四头肌的延续，而股四头肌是伸膝的主要装置，股四头肌的电机械应答对膝关节有重要影响。利用等速测力系统在不同膝关节角度下对... 详细信息

研究目的：膝关节是人们最重要的关节之一，而髌键末端病等膝关节病给人们的生活造成巨大困扰。髌腱是股四头肌的延续，而股四头肌是伸膝的主要装置，股四头肌的电机械应答对膝关节有重要影响。利用等速测力系统在不同膝关节角度下对股四头肌等长肌力测试，同时用表面肌电进行肌肉功能评价，用动作反应时测试系统进行肌肉激发时间分析，旨在探讨不同屈膝角度时股四头肌的电机械应答规律，以及疲劳对电机械应答规律的影响。研究方法：本实验采用等速测力系统，对10名受试者在不同膝关节角度进行最大等长伸膝测试，同时对股外侧肌、股内侧肌、股直肌进行表面肌电信号的采集与记录。分析不同膝关节角度时股四头肌的表面肌电变化特征和动作反应时变化特征，以及疲劳前后的变化。研究结果：（1）在等长伸膝模式中，从屈膝10°到屈膝90°，股四头肌的PT/BW在屈膝80°达到最大，有非常显著性差异（p角度的增大，股四头肌的RT呈减小趋势，且具有非常显著性差异（p角度增大，iEMG的VM/VL先增大后减小，在屈膝40°达到最大，但无显著性差异（p>0.05）;股外侧肌、股内侧肌和股直肌的iEMG%也无显著性差异，但同一角度情况下，在40°、50°、60°和90°时，三者有非常显著性差异（p0.05）;股外侧肌和股内侧肌的iEMG%均较疲劳前减小，无显著性差异（p>0.05），股直肌的iEMG%较疲劳前增大呈显著性差异（p关节角度，从屈膝10°到屈膝90°的等长伸膝模式中，膝关节发挥伸膝最大力量的角度为屈膝80°。（2）股四头肌动作反应速度与膝关节角度有关，一定程度上，屈膝角度越大产生运动的速度越快。（3）在不同膝关节角度，股四头肌各肌群的贡献率不同，在40°以后股外侧肌放电占主导。（4）疲劳是引起EMD延长的重要因素。

关键词：膝关节角度表面肌电图动作反应时疲劳电机械应答等长收缩

基于柔性及惯性传感器的膝关节角度测量以及应用

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基于柔性及惯性传感器的膝关节角度测量以及应用

作者：高远航东华大学

学位级别：硕士

膝关节作为人体稳定支撑以及步行运动的关键部位,其屈曲/伸展动作可以反映下肢肌力及重心平衡等运动学信息,对于医疗评估、病情康复有着非常重要的意义。尽管基于光学高速摄像设备的人体动作捕捉系统可以做到高精度测量膝关节角度,但是... 详细信息

膝关节作为人体稳定支撑以及步行运动的关键部位,其屈曲/伸展动作可以反映下肢肌力及重心平衡等运动学信息,对于医疗评估、病情康复有着非常重要的意义。尽管基于光学高速摄像设备的人体动作捕捉系统可以做到高精度测量膝关节角度,但是由于其成本昂贵、实验过程繁琐等缺点,不能够广泛普及。二十一世纪以来,电子技术发展迅速,传感器逐渐轻量化、小型化和智能化,基于可穿戴设备的肢体捕捉系统随之成为研究的热潮。在保持便携、舒适且价格合理的同时,尽可能地提高可穿戴测量系统的精确度,是一个值得研究的问题。在以上背景之下,本文建立了柔性传感器的力—电学粘弹性模型;并在此基础上使用卡尔曼滤波融合柔性、惯性传感器的信息,得出膝关节角度;并以角度离散序列为输入进行异常步态识别与分析。具体工作如下:针对传统力学粘弹性模型不能从机理上解释柔性传感器电阻松弛现象的问题,赋予Zener模型中弹簧元件以电学属性,建立力—电学粘弹性模型。通过具有电学意义的弹簧由于受到Voigt体的阻力而产生的形变量来描述电阻松弛量。实验证明此模型可以定量地描述不同应变下的电阻松弛曲线,并可以解释其中电阻松弛表达式中各项系数随应变呈近似线性相关的现象。最后根据此模型,使用低应变条件下的电阻松弛曲线成功预测了高应变条件下的电阻松弛曲线,进一步佐证该模型的正确性。为了改善传统柔性传感器膝关节角度测量方案存在的迟滞性误差,将表征电阻和应变转换关系的弹性模型替换为Zener力—电学粘弹性模型,结合柔性、惯性传感器的信息,使用卡尔曼滤波算法实时估计模型中各元件的参数并计算Voigt体的形变量以补偿迟滞,在角度融合的过程中降低惯性传感器的漂移误差。经过膝关节屈曲实验证明,以Zener粘弹性模型为基础的角度融合方案的均方根误差优于未经过融合角度测量方案以及以弹性模型为基础的传统角度融合方案。以膝关节角度离散序列为输入,设计了基于支持向量机（Support Vector Machine,SVM）的异常步态识别方案。首先使用双阈值加时间窗法对输入数据进行步态周期的识别,支撑相和摆动相的划分。接着根据颤颠、画圆圈和剪刀脚步态的特点在支撑项和摆动相提取时域特征参数。最后使用SVM完成步态分类工作,并根据其特征参数分析病情。步态实验结果证明多传感器角度融合方案的识别率要比基于分别基于柔性、惯性传感器角度测量方案要高,也间接地证明了角度融合方案可以有效反映步态信息,为客观的病情评定提供量化依据。

关键词：膝关节角度柔性传感器粘弹性力—电学模型惯性传感器卡尔曼滤波异常步态分析

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基于sEMG的下肢膝关节角度预测方法研究

基于sEMG的下肢膝关节角度预测方法研究

作者：何海燕上海师范大学

学位级别：硕士

随着康复机器人在医疗康复领域的发展,基于表面肌电图（surface electromyography,sEMG）的人体动作分类在人机交互中得到了广泛的应用,其运动信息估计结果常作为控制指令,进而控制下肢康复设备运动。由于对下肢的连续关节角度的准确预... 详细信息

随着康复机器人在医疗康复领域的发展,基于表面肌电图（surface electromyography,sEMG）的人体动作分类在人机交互中得到了广泛的应用,其运动信息估计结果常作为控制指令,进而控制下肢康复设备运动。由于对下肢的连续关节角度的准确预测能够显著提高人机协调性能,因此相关的科研工作始终是该领域的研究热点。然而,考虑到下肢运动时肌肉群间的相互作用较为复杂,本文基于采集的sEMG数据,对其进行了新型滤波处理和特征提取算法的研究,并探索了对下肢连续运动的膝关节角度的预测方法,最终提高了关节角度预测模型的准确性与稳定性。主要研究内容如下:（1）肌电信号的采集和预处理。通过分析下肢肌肉与膝关节运动的关系,搭建了下肢运动信息的同步采集系统,采集三种运动模式下四块肌肉的表面肌电信号,分析肌电信号采集过程中的各种噪声信号来源,最终设计了改进的小波阈值-经验模态分解的sEMG去噪实验。结果显示,经该方法去噪后,肌电信号的大量噪声被滤除,sEMG的原始特性得以保留,提高了肌电信号质量,为肌电特征提取做好了数据预处理准备。（2）肌电信号特征提取。探究了肌电信号的产生原理及特点,并将均方根值、方差和波长等三个计算效率高的时域特征作为研究对象。基于上述特征选择,提出了一种新型的、基于时间维度的融合特征。该方法利用滑动窗口法提取sEMG信号的时间超前特征（Time Advanced Feature,TAF）和时间延迟特征（Time Delay Feature,TDF）,两个特征蕴含了不同时间下的下肢运动信息,最终能够将融合特征作为后续膝关节角度预测模型的输入。（3）膝关节角度预测模型构建。提出了一种利用鲸鱼优化算法（Whale Optimization Algorithm,WOA）优化Attention-LSTM网络的膝关节角度预测模型（WOA-Attention-LSTM）。通过增加Attention机制提升肌电特征权重,利用WOA得出最优的LSTM网络参数。实验以均方根误差作为评价指标,将WOA-Attention-LSTM分别和LSTM、Attention-LSTM模型进行对比,结果显示,WOA-Attention-LSTM的均方根误差值（Root Mean Square Error,RMSE,平均RMSE=1.49448）低于对照组,该模型不仅节省了人工经验选择参数的成本,还能有效提升预测下肢膝关节角度的精度。（4）模型验证与性能分析。分析对比了不同特征对模型预测准确度的影响以及不同运动模式下各个模型的稳定性性能。通过单因子方差分析（ANOVA）法对膝关节角度预测结果的均方根误差值进行显著性差异分析,结果显示,本文所提出的融合特征在下肢膝关节角度预测方面具有更好的优越性（预测结果的均方根误差极显著小于TDF-LSTM,p＜0.01）;以平均绝对误差（Mean Absolute Error,MAE）为指标分析不同运动模式下各模型的稳定性。实验表明,使用WOA-Attention-LSTM在不同运动模式下的关节角度预测具有更高的稳定性（平均MAE=2.7970）。

关键词：表面肌电信号膝关节角度 WOA-Attention-LSTM 人机交互连续预测

引拍阶段膝关节角度对网球发球速度的影响及原因分析

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引拍阶段膝关节角度对网球发球速度的影响及原因分析

作者：王梓豪北京体育大学

学位级别：硕士

研究目的:运用Qualisys红外运动捕捉仪、Kistler便携式三维测力台同步采集北京体育大学男子高水平网球运动员发球引拍阶段最大屈膝时刻的球速、运动学及动力学参数,探究不同屈膝角度对发球速度的影响及原因,为专业网球运动员优化发球动... 详细信息

研究目的:运用Qualisys红外运动捕捉仪、Kistler便携式三维测力台同步采集北京体育大学男子高水平网球运动员发球引拍阶段最大屈膝时刻的球速、运动学及动力学参数,探究不同屈膝角度对发球速度的影响及原因,为专业网球运动员优化发球动作提供参考。研究方法:选取北京体育大学8名高水平男子网球运动员作为实验对象。受试者进行15次有效内角大力发球,完成前五次发球之后,测试人员要求受试者分别以更低和更高的下蹲屈膝姿势各进行五次有效的发球。利用便携三维测力台采集受试者球场方向(Fx)和垂直地面方向(Fz)的反作用力,并同步使用Qualisys运动捕捉系统记录受试者不同屈膝角度下发球的关节角度、重心位置等。雷达测速枪将记录受试者发球球速。采用SPSS19.0统计软件进行处理组间单因素方差分析,运动学及动力学参数与球速进行斯皮尔曼相关分析。研究结果:1.根据运动捕捉系统所记录下的每一次发球动作左膝最大屈膝角度,将所有角度按110°分为三组。膝角>110°组球速(186.17±8.11 km/h)显著高于90°-110°组(177.88±10.47km/h)及110°组Z轴爆发力(503.07±246.83W)显著高于90°-110°组(1105.68±182.30W)及110°组X轴重心位移(0.70±0.08m)显著高于90°-110°组(0.55±0.06m)及110°球拍最低点时刻左膝角(169.98±4.82°)显著高于90°-110°组(160.37±11.77°)及110°组右肘角(114.77±4.79°)显著低于90°-110°组(129.36±7.87°)及110°组Z轴重心高度(0.99±0.07m)显著高于90°-110°组(0.87±0.08m)及膝关节角度对大力发球球速有影响,引拍阶段膝关节角度大于110°时,发球速度更快。2.最大屈膝时刻膝关节角度可能通过影响Z轴蹬伸爆发力的大小从而影响发球速度,爆发力越大,球速越快。3.最大屈膝时刻膝关节角度通过影响蹬伸到球拍最低点时刻膝关节角度和Z轴重心高度从而影响发球速度。

关键词：发球膝关节角度球速动力学运动学

青少年跳远运动员起跳腿膝关节角度与成绩及损伤的相关分析

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青少年跳远运动员起跳腿膝关节角度与成绩及损伤的相关分析

作者：黄雪夫云南大学

学位级别：硕士

随着近些年我国综合国力的日渐强盛,体育事业也获得了蓬勃的发展,跳远作为我国田径的优势项目,部分运动员达到了进入世界前八的水平,为国家争得了荣誉,但目前我国青少年跳远运动员成材率低,损伤高发且低龄化,尤其以膝关节损伤最为突出,... 详细信息

随着近些年我国综合国力的日渐强盛,体育事业也获得了蓬勃的发展,跳远作为我国田径的优势项目,部分运动员达到了进入世界前八的水平,为国家争得了荣誉,但目前我国青少年跳远运动员成材率低,损伤高发且低龄化,尤其以膝关节损伤最为突出,为解决这个刻不容缓的问题,本文以力学分析为理论支撑,通过实证研究的方法探索跳远起跳过程中着板瞬间起跳腿膝关节角度与比赛成绩、肌肉力量及损伤之间的相关性,继而找出在不影响运动成绩的基础上规避膝关节损伤风险的方法。本文选取武汉市10名从事专项训练2年以上的青少年跳远运动员为测试对象,通过三个测试,获得比赛成绩、着板瞬间膝关节角度、肌肉力量、损伤情况的相应数据,并对测试数据进行了整理和分析。在经过大量调查分析后,得出结论如下:(1)青少年跳远运动员起跳腿着板瞬间膝关节角度和比赛成绩呈高度线性关系。比赛成绩随着起跳腿着板瞬间膝关节角度的提升而增长。(2)青少年跳远运动员起跳腿着板瞬间膝关节角度和肌肉力量呈高度线性关系。既膝关节肌肉力量好,起跳腿着板瞬间膝关节角度相对大;反之亦然。(3)青少年跳远运动员起跳腿膝关节损伤与肌肉力量及关节角度呈高度线性关系。表现为青少年运动员膝关节损伤的几率和程度,随着膝关节肌肉力量和起跳腿着板瞬间膝关节角度的提升相对降低;反之亦然。(4)对于生理及心理发育不成熟且从事专业训练时间较短的青少年跳远运动员来说,提升起跳腿着板瞬间膝关节角度,既提升了运动成绩又在一定程度上规避了损伤的发生,展现出一举多得的效果。

关键词：青少年跳远运动员膝关节角度肌肉力量损伤相关性

河北省女子排球运动员双脚助跑起跳缓冲阶段髋、膝关节角度变化值域的研究

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河北省女子排球运动员双脚助跑起跳缓冲阶段髋、膝关节角度变化值...

作者：郝丽娟河北师范大学

学位级别：硕士

本文通过对12名河北省女子排球运动员进行双脚助跑起跳过程缓冲环节的膝关节和髋关节角度变化趋势进行调查和研究,本研究通过文献资料法、观察法和数理统计法将采集到的影像资料进行整理和分析,得到研究结果如下:1、河北省女子排球队运... 详细信息

本文通过对12名河北省女子排球运动员进行双脚助跑起跳过程缓冲环节的膝关节和髋关节角度变化趋势进行调查和研究,本研究通过文献资料法、观察法和数理统计法将采集到的影像资料进行整理和分析,得到研究结果如下:1、河北省女子排球队运动员在进行双脚助跑起跳动作缓冲阶段中最小膝关节角度平均值为121.9°±2.77°;2、河北省女子排球运动员双脚起跳缓冲阶段最小髋关节角度平均值为127.38°±7.39°;3、膝关节角度在受试者进行起跳缓冲阶段呈现出由缓慢上升开始经历两次下降区间最后急剧上升的变化趋势,其中在第二个下降区间达到最小膝关节角度;4、髋关节角度在受试者进行起跳缓冲阶段表现出先略微上升随后下降至最小角度,经过一个缓慢上升区间后急剧增大的变化趋势。研究结论为:1、河北省女子排球运动员双脚助跑起跳缓冲阶段有相对较大的膝关节屈曲幅度和较小的髋关节屈曲幅度,同时膝关节最小关节角度略小于以往研究的平均值;2、河北省女子排运动员在起跳缓冲阶段的膝关节角度的最小值并非出现在髋关节角度达到最小值之前,而是在髋关节角度开始增大后的约0.1秒之后,可能是由于伸髋作用对膝关节的反作用力造成的。3、河北省女子排运动员起跳缓冲阶段中髋关节变化幅度较小,不利于充分运用伸髋肌群的发力作用,从而可能导致不佳起跳高度。建议在助跑起跳训练中重视伸髋力量的训练并强调伸髋作用在整个起跳过程中的重要作用,适当增加髋关节活动幅度和在起跳过程中的贡献率。4、在双脚起跳缓冲制动阶段,膝、髋关节角度随时间变化趋势呈现出一致性,均为先略微增大随后减小并出现第一个最小值;在缓冲加速阶段,膝关节角度变化趋势不同于髋关节,在髋关节角度开始增大时膝关节角度先经历了一个平缓的减小期,随后开始急剧增大。

关键词：膝关节角度髋关节角度双脚起跳变化趋势

高栏跨栏步摆动腿膝关节角度变化规律线的探讨

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中国体育科技 1979年第27期 1-7页

作者：谈太钰

自西德高栏动运员劳尔在1959年7月创造了13″2的世界纪录后,十多年来这个纪录一直没人打破。高栏技术水平也一直处于比较稳定状态。到了七十年代初叶,特别是二十届奥运会后,美国高栏运动员米尔本以13″1的成绩打破了沉默的局面。随后法... 详细信息

自西德高栏动运员劳尔在1959年7月创造了13″2的世界纪录后,十多年来这个纪录一直没人打破。高栏技术水平也一直处于比较稳定状态。到了七十年代初叶,特别是二十届奥运会后,美国高栏运动员米尔本以13″1的成绩打破了沉默的局面。随后法国高栏运动员德律又跑出了13″的成绩。在这时期,米尔本(美)、德律(法)、卡萨纳斯(古)先后以13″24、13″23和13″21的成绩相继创造了(电动计时)世界新纪录。今年,美国高栏运动员内赫米亚又跑了13″16(电动计时)的成绩,把世界纪录大大向前推进了一步。这批优秀运动员不仅成绩优异,而且表现出了高超的高栏技术和特有的技术风格。跨栏运动水平的不断提高,反映了跨

关键词：跨栏步摆动腿技术膝关节角度高栏变化规律

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一种膝关节角度测量及其校准方法

机电工程 2009年第12期26卷 13-16页

作者：熊静罗志增杭州电子科技大学智能控制与机器人研究所浙江杭州310018

针对膝关节角度测量问题,给出了一种基于微型加速度传感器测量角度原理的膝关节角度测量方法,该方法结合固定于膝关节同一位置但不同轴向角度的两个微型加速度传感器的测量数据,联合推算出膝关节角度。根据两个传感器输出加速度向量模... 详细信息

针对膝关节角度测量问题,给出了一种基于微型加速度传感器测量角度原理的膝关节角度测量方法,该方法结合固定于膝关节同一位置但不同轴向角度的两个微型加速度传感器的测量数据,联合推算出膝关节角度。根据两个传感器输出加速度向量模相等的原理,进一步提出了测量角度的交叉校准方法。实验结果表明,采用该方法建立的膝关节角度测量系统,测量成本较低,测量精度达到±1.5°。

关键词：膝关节角度双轴角度测量交叉校准

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