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基于表面肌电与步态的外骨骼穿戴疲劳评测

浙江大学学报:工学版 2023年第10期57卷 2077-2085页

作者：何恺伦吕健李林徐兆潘伟杰贵州大学现代制造技术教育部重点实验室贵州贵阳550025 贵州航天控制技术有限公司贵州贵阳550009

针对穿戴无源下肢外骨骼疲劳状态评价片面的问题,提出一种结合肌肉疲劳阈值(EMGFT)、生物力学分析和主观疲劳自觉量表(sRPE)的外骨骼综合效能评价方法.区别于传统表面肌电信号(sEMG)或血氧饱和度的单一测定方法,所提方法可以有效提高无... 详细信息

针对穿戴无源下肢外骨骼疲劳状态评价片面的问题,提出一种结合肌肉疲劳阈值(EMGFT)、生物力学分析和主观疲劳自觉量表(sRPE)的外骨骼综合效能评价方法.区别于传统表面肌电信号(sEMG)或血氧饱和度的单一测定方法,所提方法可以有效提高无源负载下肢外骨骼效能评测精度.通过动作捕捉对受试者进行步态对比分析,获取空间位置信息与肌肉发力情况,并计算下肢膝关节稳定性;采集受试者的sEMG进行预处理,并计算肌肉疲劳阈值;结合sRPE评分与膝关节偏移量方差对EMGFT进行主客观验证.结果表明所提方法可以有效评价无源下肢外骨骼,外骨骼使受试者EMGFT到达时间平均推迟了42.9%,下肢稳定性提升了75.8%,主观疲劳感受缓解了30.3%.

关键词：无源下肢外骨骼肌肉疲劳阈值动作捕捉步态分析主观疲劳量表

基于表面肌电信号和动作捕捉的上肢运动疲劳分析

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生物医学工程学杂志 2022年第1期39卷 92-102页

作者：徐兆吕健潘伟杰何恺伦贵州大学现代制造技术教育部重点实验室贵阳550025

目前,上肢运动的疲劳状态监测,一般单纯依赖表面肌电信号(sEMG)对疲劳进行识别和分类,导致结果不稳定,存在一定局限。为此,本文将sEMG信号识别与动作捕捉技术引入到疲劳状态监测过程中,提出了一种融合改进的肌电疲劳阈值算法与生物力学... 详细信息

目前,上肢运动的疲劳状态监测,一般单纯依赖表面肌电信号(sEMG)对疲劳进行识别和分类,导致结果不稳定,存在一定局限。为此,本文将sEMG信号识别与动作捕捉技术引入到疲劳状态监测过程中,提出了一种融合改进的肌电疲劳阈值算法与生物力学分析的疲劳分析方法。本研究通过右上肢负载屈肘试验,同步采集肱二头肌sEMG信号与上肢动作捕捉数据,并同时运用柏格(Borg)疲劳度主观自觉量表记录受试者疲劳感受。然后,将融合改进的肌电疲劳阈值算法和生物力学分析的疲劳分析方法与平均功率频率(MPF)、谱矩比(SMR)、模糊近似熵(fApEn)、Lempel-Ziv复杂度(LZC)四种单一评价指标疲劳评价方法的试验结果进行对比。试验结果表明,本文方法对总体疲劳状态识别率结果达到98.6%,对轻松、过渡、疲劳三种状态的识别率分别达到97%、100%、99%,较其他方法更有优势。本文研究结果证明,本文方法在上肢运动过程中能够有效预防过度训练引起的二次损伤,对于疲劳监护具有重要意义。

关键词：肌电疲劳阈值动作捕捉生物力学上肢疲劳分析

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动作捕捉实现的人机交互工作负荷评价方法

计算机辅助设计与图形学学报 2020年第10期32卷 1697-1706页

作者：郭庆邓子毅程胜龙刘昕杰中国民航大学航空工程学院天津300300

为了定性定量地评估民航机务维修人员在工作过程中承受的工作负荷,提出基于动作捕捉技术的人机交互工作负荷的评价方法.首先根据动作数据以及人体参数创建数字虚拟人,并根据欧拉四元数运算规则驱动虚拟人在虚拟空间中运动;然后采用逆动... 详细信息

为了定性定量地评估民航机务维修人员在工作过程中承受的工作负荷,提出基于动作捕捉技术的人机交互工作负荷的评价方法.首先根据动作数据以及人体参数创建数字虚拟人,并根据欧拉四元数运算规则驱动虚拟人在虚拟空间中运动;然后采用逆动力学与Roberson-Wittenburg方法推导虚拟人在执行维修任务过程中所承受的关节力,并用人体的实际用力与人体的最大可用力的比值来衡量维修人员在维修过程中与维修对象交互时产生的工作负荷;再使用动作捕捉设备,针对4个常见的机务维修任务在停机坪上进行维修工作实验,获取相应的动作数据并计算出相应的工作负荷.实验结果表明,文中方法可以快速地计算出实验人员在进行维修作业时的工作负荷,并且其计算结果与人的主观反馈一致.

关键词：动作捕捉虚拟人机务维修工作负荷

人体肌肉骨骼多体系统的正逆向耦合动力学建模方法

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Acta Mechanica Sinica 2022年第11期38卷 101-114页

作者：王心悦郭建峤田强 MOE Key Laboratory of Dynamics and Control of Flight Vehicle School of Aerospace EngineeringBeijing Institute of TechnologyBeijing100081China

人体步态的肌骨系统多体动力学建模已被证实在探讨肌骨系统损伤的病理机制等方面具有重要意义.然而,传统的逆动力学分析方法需输入外力传感器测量数据,无法兼顾骨骼肌的非线性动力学特征.此外,正向动力学方法往往计算量很大,仅能够应用... 详细信息

人体步态的肌骨系统多体动力学建模已被证实在探讨肌骨系统损伤的病理机制等方面具有重要意义.然而,传统的逆动力学分析方法需输入外力传感器测量数据,无法兼顾骨骼肌的非线性动力学特征.此外,正向动力学方法往往计算量很大,仅能够应用在相对简单的分析工况中.本文提出了一种肌骨系统仿真方法,实现无力台条件下的足-地面力估计,并在肌肉力计算中兼顾肌腱弹性与优化控制策略.我们结合基于红外相机的贴点动作捕捉与基于深度神经网络的无标记动作捕捉系统,实现对受试者下肢运动的同步测量.足-地面相互作用力通过一类软物质接触力模型求得,接触参数通过两步优化方法辨识得到.肌肉发力模式首先通过静态优化算法求解,得到的肌肉激活度作为后续正逆向耦合仿真的初值.进一步,我们采用一种力矩跟踪方法,通过调整肌肉激活度,使基于肌肉-肌腱内力平衡方程求得的关节力矩与逆动力学解算得到的关节力矩间误差最小.为验证本文提出的计算方法的正确性,将仿真求得的肌肉激活度与一名健康受试者实测表面肌电进行比较.本文提出的仿真方法为人体关节力矩、肌肉-肌腱内力、以及肌肉激活模式提出了一种可靠的求解方法,能够增进对健康人与患者步态生物力学的理解.

关键词：深度神经网络关节力矩动作捕捉静态优化逆动力学正向动力学多体系统表面肌电

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用于角色表情动画生成的深度学习技术

计算机辅助设计与图形学学报 2022年第5期34卷 675-682页

作者：张睿思潘烨上海交通大学电子信息与电气工程学院上海200240

人脸动作捕捉不仅需要对人脸几何信息进行模拟,而且需要准确传达人脸表情.传统的人脸动作捕捉技术,如ARkit,基于人脸的几何信息对面部表情进行捕捉,但是很难让观众体验到角色表情变化.而最近的基于情绪的动作捕捉技术,如ExprGen,考虑使... 详细信息

人脸动作捕捉不仅需要对人脸几何信息进行模拟,而且需要准确传达人脸表情.传统的人脸动作捕捉技术,如ARkit,基于人脸的几何信息对面部表情进行捕捉,但是很难让观众体验到角色表情变化.而最近的基于情绪的动作捕捉技术,如ExprGen,考虑使用人脸情绪进行面部捕捉,但很难对角色脸部细节进行刻画.为此,提出将人脸几何信息和表情结合的方法,对动画角色进行控制.首先,通过训练神经网络识别人脸和动画角色表情,对人脸和动画数据集图像进行匹配.然后,通过训练端到端神经网络,提取角色表情信息,获得动画角色骨骼参数.最后,结合人脸几何信息对脸部关键点骨骼参数进行修正.通过对不同人脸输入,生成角色表情定性分析;用4个演员视频作为输入,带动角色运动的吸引力和强度定量分析证明了方法的准确性和实时性.

关键词：动画制作深度学习动作捕捉

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多模态人体运动同步数据集

计算机辅助设计与图形学学报 2022年第11期34卷 1713-1722页

作者：程景铭谢文军沈子祺李琳刘晓平合肥工业大学计算机与信息学院合肥230601 合肥工业大学软件学院合肥230601

人体运动数据集是运动数据去噪、运动编辑及运动合成等研究的重要基础.为支撑更具通用性的多模态数据融合研究,设计并采集一套公开的多模态人体运动数据集是亟待解决的问题.首先设计基于传感器的动作捕捉设备采集精准的运动数据、基于... 详细信息

人体运动数据集是运动数据去噪、运动编辑及运动合成等研究的重要基础.为支撑更具通用性的多模态数据融合研究,设计并采集一套公开的多模态人体运动数据集是亟待解决的问题.首先设计基于传感器的动作捕捉设备采集精准的运动数据、基于体感设备采集的粗糙运动数据、基于惯性测量单元采集的局部惯性数据的采集环境;然后基于网络时间协议实现设备间时序同步,以及多模态数据间的空间同步;最后分类采集了全身运动多模态数据集(HFUT multimodal motion dataset,HFUT-MMD),包含12位采集者进行6类运动的总计6971568帧数据.利用已有算法在HFUT-MMD数据集上的实验结果表明,低精度运动数据经过模型优化能够得到与精准的运动数据相近的运动数据,佐证了各模态数据间的一致性.

关键词：人体运动数据多模态运动数据动作捕捉体感设备惯性测量单元

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基于动捕系统的机器人步态规划与实验研究

沈阳建筑大学学报（自然科学版） 2022年第1期38卷 164-171页

作者：孙军吕连杰孙诗华李东华沈阳建筑大学机械工程学院辽宁沈阳110168 中国工业互联网研究院辽宁分院辽宁沈阳110020

目的针对机器人行走时髋关节高度与人体髋关节变化规律不相符的现象,提出一种模仿人类步行的步态规划方法,以增强机器人运动的拟人性,减少能耗损失,增强行走稳定性。方法将动捕系统采集的人体步行数据进行递推平均滤波和savgol_filter... 详细信息

目的针对机器人行走时髋关节高度与人体髋关节变化规律不相符的现象,提出一种模仿人类步行的步态规划方法,以增强机器人运动的拟人性,减少能耗损失,增强行走稳定性。方法将动捕系统采集的人体步行数据进行递推平均滤波和savgol_filter函数预处理后得到人体步行样本;对人体步行样本进行几何缩放后生成机器人步行样本,从中提取机器人运动学参数;采用五次样条插值算法,依据人体步行样本运动规律,规划机器人下肢关节参数化运动轨迹;利用多目标粒子群优化算法得到一组满足三个设定目标的机器人运动学参数;将该组运动学参数代入机器人下肢关节参数化轨迹方程,建立机器人前向和侧向运动学模型,利用逆运动学求解下肢关节角度;使用NAO机器人验证步态规划的可行性。结果预处理能消除噪声点;几何缩放解决了机器人与人在肢体长度等方面存在的差异;五次样条插值规划的关节运动轨迹的平均相似度为95%以上;多目标粒子群算法优化结果显示:若机器人具有较高的步行稳定性,则会以降低步行速度为代价;机器人下肢髋、踝关节翻滚角度存在大小相等、方向相反的变化规律;机器人物理样机的ZMP轨迹位于支撑多边形内部;机器人行走步态与人体步行样本具有相似性。结论模仿人类步行的步态规划方法使机器人行走步态具有高稳态、低能耗、拟人化的行走特性。

关键词：人形机器人动作捕捉步态规划逆运动学

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沉浸式钢架雪车滑行仿真系统研究与实现

系统仿真学报 2024年

作者：王子宁罗诗江陈维亚骆汉宾中交武汉智行国际工程咨询有限公司华中科技大学国家数字建造技术创新中心

钢架雪车作为冬季奥运会的滑行项目之一，具有滑行速度快、赛道复杂、危险性高的特点，为降低在实际滑行过程中产生事故的风险，应用虚拟现实技术，构建了一套沉浸式钢架雪车滑行仿真系统。基于激光扫描获取的点云数据进行现有赛道建模... 详细信息

钢架雪车作为冬季奥运会的滑行项目之一，具有滑行速度快、赛道复杂、危险性高的特点，为降低在实际滑行过程中产生事故的风险，应用虚拟现实技术，构建了一套沉浸式钢架雪车滑行仿真系统。基于激光扫描获取的点云数据进行现有赛道建模，实现在虚幻4引擎中构建虚拟场馆赛道与钢架雪车滑行运动模型；通过动作捕捉采集数据实现模拟滑行力学操控输入，并获取模拟滑行钢架雪车姿态，通过六自由度振动台反馈给使用者。该系统可实现安全条件下的钢架雪车模拟滑行，为运动员提供熟悉赛道、安全训练的手段。

关键词：虚拟现实运动仿真钢架雪车动作捕捉赛道三维重构

髋关节镜手术对髋臼股骨撞击症足轴角影响的运动学分析

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中华骨科杂志 2023年第23期43卷 1555-1561页

作者：高鑫殷子屹苗欣王琪张思齐刘镕阁徐雁北京大学第三医院运动医学科(北京大学运动医学研究所运动医学关节伤病北京市重点实验室)北京100191 北京体育大学北京100084

目的探讨髋关节镜手术治疗对髋臼股骨撞击症(femoral acetabular impingement,FAI)患者下肢横断面运动学的改善效果。方法前瞻性纳入2021年10月至2022年2月于北京大学第三医院运动医学科接受髋关节镜手术的FAI患者8例,男3例、女5例,年龄... 详细信息

目的探讨髋关节镜手术治疗对髋臼股骨撞击症(femoral acetabular impingement,FAI)患者下肢横断面运动学的改善效果。方法前瞻性纳入2021年10月至2022年2月于北京大学第三医院运动医学科接受髋关节镜手术的FAI患者8例,男3例、女5例,年龄(35.3±13.0)岁(范围17~53岁),身高(168.0±12.8)cm(范围154~192 cm),体重(61.1±8.5)kg(范围52~74 kg),体质指数为(21.7±2.6)kg/m^(2)(范围17.6~24.5 kg/m^(2));左侧3例、右侧5例。所有患髋髋关节撞击(flexion,abduction,internal rotation,FADIR)试验均为阳性,flexion、abduction、external rotation(FABER)试验阳性4例。比较术前和术后10个月患髋的改良Harris评分(modified Harris hip joint function scale,mHHS)、疼痛视觉模拟评分(visual analogue scale,VAS)及年轻髋关节(胯)患者生活质量评分问卷12(international hip outcome tool-12,iHOT-12)评分。应用无反光点动作捕捉系统采集并测量患者步态、双腿下蹲、前向弓箭步蹲、单腿站立和原地踏步动作下的足轴角,比较术前和术后10个月足轴角的变化特点。结果8例均顺利完成手术,随访时间为(11.0±1.2)个月(范围10~13个月)。术前、术后10个月mHHS分别为(60.9±20.5)、(82.9±7.3)分,差异有统计学意义(t=-3.07,P=0.018);术前、术后10个月患侧iHOT-12评分分别为(51.4±23.7)、(79.2±14.6)分,差异有统计学意义(t=-3.76,P=0.007);术前、术后10个月VAS分别为(4.6±2.3)、(1.5±0.9)分,差异有统计学意义(t=3.16,P=0.016)。术前和术后10个月各动作下健侧与患侧足轴角的差异均无统计学意义(P>0.05);正常步态下术后健侧与患侧足轴角为26.52°±5.97°和24.41°±3.70°,较术前的34.4°±7.20°和30.80°±6.43°均减小,差异有统计学意义(t=2.83,P=0.013;t=3.05,P=0.041),手术前后双腿下蹲、前向弓箭步蹲、单腿站立及原地踏步动作的足轴角的差异均统计学意义(P>0.05)。结论髋关节镜手术可改变FAI患者下肢横断面运动学特征,对FAI患者术前足轴角异常具有潜在纠正作用。

关键词：髋关节关节镜检查步态分析动作捕捉足轴角髋臼股骨撞击症