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压电与声光 2016年第1期38卷 141-146页

作者：万舟潘奇李琨刘东生昆明理工大学信息工程与自动化学院云南昆明650500

针对当前肘关节控制肌群运动信息采集不足的问题,该文提出了一种基于聚偏氟乙烯(PVDF)传感器的肘关节控制肌群运动信息采集方法。论文阐述了PVDF的传感原理,设计并测试得到了传感器悬臂梁的最优结构,进行了传感器阵列及信号调理电路的... 详细信息

针对当前肘关节控制肌群运动信息采集不足的问题,该文提出了一种基于聚偏氟乙烯(PVDF)传感器的肘关节控制肌群运动信息采集方法。论文阐述了PVDF的传感原理,设计并测试得到了传感器悬臂梁的最优结构,进行了传感器阵列及信号调理电路的设计。以徒手及负重10kg哑铃臂屈伸为实际测试内容,结果表明,该方法经济、可靠、实用,能够有效采集和监测运动时肘关节控制肌群的运动信息。

关键词：聚偏氟乙烯(PVDF) 传感器肘关节控制肌群运动信息

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基于压电传感器的肘关节控制肌群运动信息采集研究

基于压电传感器的肘关节控制肌群运动信息采集研究

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作者：潘奇昆明理工大学

学位级别：硕士

肘关节是上肢中连接手、腕与肩关节且发挥重要功能的复杂结构,对人体来说非常重要。肘关节是一个类似于两脚规状的上肢中间关节,联结上肢的上臂与前臂。其主要功能是伸、屈及前臂的旋转运动,并与肩关节共同参与,从而保证了手在距离身体... 详细信息

肘关节是上肢中连接手、腕与肩关节且发挥重要功能的复杂结构,对人体来说非常重要。肘关节是一个类似于两脚规状的上肢中间关节,联结上肢的上臂与前臂。其主要功能是伸、屈及前臂的旋转运动,并与肩关节共同参与,从而保证了手在距离身体一定的空间中停留在任何位置与自由移动,这样就能充分发挥手的功能。肘关节的重要性在人们的日常工作生活中是经常体现的,如当人们摄取食物时,肘关节需要伸直并旋前,手才得以握持食物,而后屈肘旋后,手即能到达肩与口,食物方能进入口中;又如在网球、篮球、高尔夫等体育赛事中,技术动作不规范、训练负荷过重、前期热身运动不足以及上肢肌群疲劳等原因经常引发肘关节损伤继而引发上肢功能障碍,其中非常典型的代表就是网球肘(肱骨外上髁炎)和高尔夫球肘(肱骨内上髁炎)了。经研究证明,肘关节的安全在相当程度上是由其周围的控制肌群来决定。故而,对肘关节周围的控制肌群进行研究会在病理诊断、康复医学、体育教学和运动科学等领域产生相当大的影响,同时还会对肘关节疲劳、损伤乃至病变的预防产生积极作用。对人体运动过程中肘关节控制肌群运动信息的采集,是研究控制肌群的前提。就目前而言,对肌群运动信息的采集主要是基于肌电信号,但其需要将针电极刺入肌肉以获得肌纤维的肌电信号。表面肌电信号采用无创伤性的面电极,较肌电信号的采集有了很大改善,但两者均存在易受肌肤导电性、体温变化、心电信号等干扰的缺点。此外,肌电信号的频谱分布非常窄且信号值也很微弱,在采集时其一致性和可靠性难以保证,且采集环境的要求极高,设备也昂贵,在实际情况下采集到可靠的信号较为困难。基于当前肘关节控制肌群运动信息采集的一些不足,本文拟研究一种全新的采集方法：通过对人体运动时肘关节控制肌群的压电信息进行全方位实时采集,使其运动学力学相关参数得以准确提取,从而能够定量地展示出肌群的动力学规律及生物力学特征,得以实现通过采集人体运动时肘关节控制肌群的压电信息来获取此时肘关节运动趋势运动情况等运动信息。论文展示了采集肘关节控制肌群电信息的PVDF压电传感器的设计及研制。柔软、极薄、质轻、抗腐蚀及耐冲击是PVDF所具有的优点,其也是动态环境使用材料的首选。通过对测试及仿真结果的分析得出,圆形简支结构被确定为传感器臂梁的最终结构。论文还设计了信号调理电路,最终性能测试结果表明：当压力大小在50N-500N之间时,传感器的输出较为正常;激励频率在750Hz左右时,传感器响应频率的偏差最小的;当激励频率超过2000Hz或低于6Hz时,将会出现超过5%偏差的响应频率。通过对肘关节临床解剖学的研究,设计了传感器阵列的布置方案,再通过特制的运动紧身衣进行加工固定。利用哑铃臂屈伸运动进行了动态测试,证明了该方法能在人体运动时实时地采集肘关节控制肌群的运动信息,且具有可靠、经济及实用的优点。

关键词：肘关节控制肌群 PVDF 压电传感器运动信

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肘关节控制肌群信号获取及“网球肘”成因分析研究

肘关节控制肌群信号获取及“网球肘”成因分析研究

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作者：沈天舒昆明理工大学

学位级别：硕士

早在20世纪,医生在进行网球运动的选手中发现,很多运动员的肘关节及肘后外侧肌腱存在酸痛症状,这种症状影响运动员的正常训练,更无法进行激烈的比赛。这种疾病经临床医学总结,最终命名为“网球肘”。这是一种运动性损伤型疾病,给职业的... 详细信息

早在20世纪,医生在进行网球运动的选手中发现,很多运动员的肘关节及肘后外侧肌腱存在酸痛症状,这种症状影响运动员的正常训练,更无法进行激烈的比赛。这种疾病经临床医学总结,最终命名为“网球肘”。这是一种运动性损伤型疾病,给职业的网球运动员以及广大的业余爱好者带来了极大的困扰。而当前针对“网球肘”的研究主要局限于生理及病理学方面,无法有效预防疾病的发生。在专业网球训练过程中,由于运动员训练过量或是训练姿势不正确等极易患上“网球肘”。一旦患有此疾病,不光是体现在肘部疼痛,还可能导致其运动生涯结束。本文拟设计一款符合人体运动生理功能特征的检测装置,对网球运动员击球时的运动数据进行采集,对比标准的运动发力信号,对运动员击球时的发力情况进行分析,根据肌压电信号及肌群间的运动生理关系,及时发现不规范的击球动作,最大限度地预防网球运动员及爱好者患上“网球肘”。具体的研究内容为:(一)网球运动过程中,上臂与前臂二者共同构成了一个几何模型的连接机构,使二者之间能够协调运动,肘关节是二者之间的关键环节。所以,对“网球肘”成因研究,首先是对肘关节及控制肌群的生理学研究。(二)为此,在对人体工程学的研究的基础上,需设计一种具有高输出阻抗、温度漂移小、质量轻、贴附性好、耐腐蚀、性能稳定的肌压力传感器;同时结合肘关节控制肌群的特点,以及肘关节的结构组成、运动机理特性,肘关节各个控制肌群间的相互关系,确定每一块肌肉在发力时的功能与作用,分析网球运动员在挥拍时肌肉的发力点来确定传感器阵列的布点和安装方式。(三)在传感器设计及阵列布点工作之后,需对相关信号的有效获取、信号处理、信号分析、特征提取进行研究,以获取稳定、可靠的特征信号。(四)经过对网球运动员肘部关节进行实际测试。提取特征值,将肘部关节控制肌群挥拍时的正确发力的标准信号与非标准发力信号进行比对,表明该传感器及阵列能够有效、准确地采集到肘部关节的运动信息,并能区分正确与非正常情况下发力信号。说明设计的传感器及阵列能够达到设计要求。并根据对数据的分析,能观察到各被测对象的错误动作表现在相关肌群上的共性和差异性,这对日后网球运动员的训练有较好的指导性作用。

关键词： “网球肘” 传感器控制肌群信号获取

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肘关节运动意图与压电信号的关系研究

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控制工程 2018年第9期25卷 1662-1665页

作者：徐毅万舟昆明理工大学信息工程及自动化学院

对于上肢外骨骼运动识别过程,以肘关节屈伸为主要研究对象,建立肘关节生物力学模型。搭建了针对肘关节的运动信息采集系统,基于PVDF的压电传感器采集肘关节运动时控制肌群的压电信号,建立了以肌肉的压电信号为输入、关节角度轨迹为输出... 详细信息

对于上肢外骨骼运动识别过程,以肘关节屈伸为主要研究对象,建立肘关节生物力学模型。搭建了针对肘关节的运动信息采集系统,基于PVDF的压电传感器采集肘关节运动时控制肌群的压电信号,建立了以肌肉的压电信号为输入、关节角度轨迹为输出的肘关节生物力学模型,将计算得出的关节角度轨迹与实际测得关节轨迹角度相比,拟合效果良好,说明通过采集肘关节运动过程中的压电信号可以反映肘关节的运动意图。

关键词：控制肌群 PVDF 压电信号运动意图

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基于力电信号的关节运动意图研究

基于力电信号的关节运动意图研究

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作者：徐毅昆明理工大学

学位级别：硕士

第一次有外骨骼的概念是在1960年左右,但因其涉及的领域太多,所以一直没有太大的进展,而在近十年终于对外骨骼方面有所突破。近年来,外骨骼系统收到了极大的关注,对于能够突破自身极限这点便非常的诱惑人,在众多领域也有着不菲的成就,... 详细信息

第一次有外骨骼的概念是在1960年左右,但因其涉及的领域太多,所以一直没有太大的进展,而在近十年终于对外骨骼方面有所突破。近年来,外骨骼系统收到了极大的关注,对于能够突破自身极限这点便非常的诱惑人,在众多领域也有着不菲的成就,例如医疗康复训练、身体支撑、运动辅助等方面。人们穿戴着智能外骨骼,一方面能够操保护自己并支撑身体,另一方面也能自由的控制它来完成很多以前一个人做不到的事情。关节是人体中至关重要的结构,本文以肘关节为主要研究对象。肘关节是一个很复杂的结构,在上肢中有着不可忽视的功能,不仅连接手、腕,还与肩关节紧密相连,对人体来说非常重要。肘关节是上肢的中间关节,位置介于上臂与前臂之间,二者构成具有几何形态的机械链,近似一个两脚规样。为了能够完美发挥手的作用,作为主要功能的前臂的旋转运动以及伸臂和屈臂,与肩关节共同协作,保证了手在身体附近的任意位置的自由移动。在人们的日常工作、生活中,肘关节都起着非常重要的作用。例如当人们需要拿取食物,这时肘关节不仅要伸直,还要进行旋前,手便可以拿到食物,然后后屈肘进行旋后的时候,手就可以伸到肩和口的位置,此时食物便能比较方便的被人体摄取;又比如在各种上肢运动的体育赛事中,如若技术动作不够娴熟、训练负荷过载、前期没有足够的热身活动以及肌肉过于疲劳等一系列经常造成肘关节损伤。经研究表明,肘关节周围的控制肌群决定了安全程度。所以研究控制肌群会有相当大的影响,不仅在医学、体育等领域,还能同时预防肘关节的病变,这能起到非常积极的作用。智能外骨骼系统技术的关键点在于识取人体的运动意图,也就是运动信息的获取以及运动意图的识别。采集肌电信号和脑电信号为目前主流的信息获取方式,但这两种采集方式都存在若干缺点,比如易受肌肤导电性、体温变化、心电信号等干扰。另外,由于肌电信号的频谱分布比较窄,而且信号值也很弱,所以在实际采集的时候,信号的一致性和可靠性难以保证。在前期研究的基础上,针对以上提到的问题,进一步建立了以控制肌群的压电信号为输入,关节角度轨迹为输出的肘关节生物力学模型。以单自由度的肘关节屈伸为主要研究对象,搭建针对肘关节的运动信息采集系统,并研究了多种多传感器的数据融合估计算法,再进行仿真比较之后,确定了卡尔曼自适应滤波算法为最合适,最后通过实验进行验证建立的肘关节生物力学模型,将计算得出的关节角度轨迹与实际测得关节轨迹角度相比,发现拟合效果良好,说明通过采集肘关节运动过程中的压电信号可以反映肘关节的运动意图。

关键词：控制肌群 PVDF 压电信号运动意图

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