人體運動信息獲取

人體運動信息獲取步行助力機器人以使用者的運動信息為參考，及時作出正確的判斷并無滯后地為使用者提供步行時的助力支持，因此人體運動信息的獲取對于步行助力機器人的控制決策系統(tǒng)至關重要。4．2．1運動圖像采集與分析方法人體的所有動作都是在一定的時間和空間里進行的。時間和空間位置是動作最原始的特征，因此用拍攝運動圖像的方法來記錄動作最為方便和準確。運動生物力學在當前主要借助三維錄像、高速攝像等獲取運動技術的外部特征，獲得運動過程中人體姿態(tài)變化的運動學參數(shù)。在20世紀80年代，人體與物體運動位移軌跡的檢測一般采用高速電影攝影機進行實地拍攝，然后對影片進行數(shù)字化處理后，進一步作出分析。高速攝像按拍攝方式可分為：平面定機攝像測量方法；平面跟蹤攝像測量方法；立體定機攝像測量方法。平面定機測量方法簡單易行，不影響人體的運動。但該方法只能測出人體和物體在垂直于攝像機主光軸平面上的運動參數(shù)，只適用于受測體在一個平面上或主要在一個平面上的運動項目；且使用平面定機攝像測量的平面范圍較小，對運動范圍大的項目來說，只能選擇其某一運動階段進行拍攝，例如跑的一個復步、跳遠的助跑最后兩步和起跳等。用平面跟蹤攝像測量方法拍攝時，攝像機的主光軸始終盡可能對準受測體，跟蹤受測體的運動而轉動。此方法測量范圍比定機法大，攝影范圍較小，受測體成像大，可減少測量誤差。但由于受測體的運動速度因項目、因人而異，所以“跟蹤”難度較大，且攝影機速度與受測體速度難以完全相同，也會帶來測量誤差。平面跟蹤測量法用于測量運動范圍大、動作周期距離長的運動項目。立體定機攝像測量方法是采用兩臺或多臺攝像機從不同角度對同一研究對象進行同步拍攝，然后把兩臺或多臺攝像機所拍攝的圖像進行數(shù)字化，從而獲得人體空間運動的三維坐標，計算有關的運動學參數(shù)[8,9]。進入20世紀90年代，錄像解析系統(tǒng)開始應用到運動生物力學研究中。它是一種像-機交互式測量系統(tǒng)，基于立體視覺的基本原理，應用普通攝像機對目標點進行拍攝，并結合三維空間重構的方法獲取被拍攝物的空間坐標，其結構簡單、無機械運動部件、測量空間大、使用方便，是目前體育界應用較廣泛的一種非接觸式測量系統(tǒng)。4．2．2光電運動檢測分析方法從20世紀60年代末和70年代初開始，人們將光電技術應用于運動檢測中[其中SELSPOT系統(tǒng)、VICON系統(tǒng)、COD系統(tǒng)最具代表性。以VICON系統(tǒng)為例，整個系統(tǒng)由六個部分組成：①反射標志物；②頻閃攝像機；③同步信號發(fā)生器；④閾值檢測器；⑤坐標發(fā)生器；⑥計算機。其簡單工作過程是：在一個或多個待測點上固定著反射標志物，在50Hz的紅外閃耀光束的照射之下，成為視場中最明亮的點光源并成像于攝像機的傳感器上。在每次閃耀時，傳感器上的這些位置信號通過掃描方式被提取出來，成為一個接一個的視頻信號脈沖，由攝像機輸出，經(jīng)過閾值檢測器鑒別而被送入到坐標發(fā)生器之中。這一系列視頻信號脈沖在時間軸上的位置對應著標志物的坐標位置。因此，由坐標發(fā)生器中兩個計數(shù)器的讀數(shù)就可以得待測點的水平位置和垂直位置。每當紅外光閃爍一次，就有一幀圖像上的光點被采集并存儲于計算機之中。當測完一個運動過程之后，就會有許多幀的數(shù)據(jù)存儲于計算機之中，然后利用相關軟件進行分析處理。4．2．3肌電信號及其運動辨識人體的器官、細胞不斷地發(fā)生化學性及物理性的變化,這些變化都會產(chǎn)生電性的變化。近年來，隨著神經(jīng)生理學和生物力學的發(fā)展，人們對肌電信號的產(chǎn)生機理有了充分的認識。肌電信號的研究在臨床醫(yī)學的神經(jīng)肌肉疾病診斷、人機工效學領域肌肉工作的工效學分析、康復醫(yī)學領域的肌肉功能評價以及體育科學中的疲勞判定、運動技術合理性分析、肌纖維類型和無氧閾值的無損傷性預測等方面均有重要意義。肌電信號按照引導電極的不同，可分為針電極肌電和表面肌電。表面肌電信號（sEMG）是從皮膚表面通過電極引導、記錄下來的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)活動時的生物電信號，它與肌肉的活動狀態(tài)和功能狀態(tài)之間存在著不同程度的關聯(lián)性，因而能在一定程度上反映神經(jīng)肌肉的活動[11]。由于表面肌電檢測對人體不產(chǎn)生損傷，因此，在相關研究中，多采用表面肌電無線檢測技術。4．2．3．1肌電信號產(chǎn)生的機理肌電信號的產(chǎn)生是人體自主運動時神經(jīng)、肌肉興奮釋放生物電的結果，它是一種復雜的表皮下肌肉電活動在時間和空間上綜合的特征圖 [12]，它反映了神經(jīng)、肌肉的功能狀態(tài)。人體和各器官表現(xiàn)的電現(xiàn)象，是以細胞水平的生物電現(xiàn)象為基礎的。腦電、心電、肌電等都是人體中各器官生物電的表現(xiàn)，是可興奮性細胞興奮時動作電位變化和傳導的綜合表現(xiàn)[13]。人體運動的動力源來源是肌肉收縮，肌肉收縮是由神經(jīng)沖動產(chǎn)生的電信號刺激肌纖維，使其組織內發(fā)生微觀化學變化過程而導致的結果。神經(jīng)傳向肌肉并引起肌肉的收縮是一個極其復雜的過程，中間涉及電-化學-電的相互轉換，同時伴隨復雜的生物化學反應，其過程總結如下：1） 神經(jīng)纖維上的動作電位到達軸突終末，引起突觸前膜去極化，Ca2+從細胞外進入突觸前膜中。2）在Ca2+的促發(fā)作用下，突觸小泡向前膜移動，乙酰膽堿被釋放到突觸間隙中，完成電信號向化學信號的轉換。3） 乙酰膽堿與終板膜上的乙酰膽堿受體結合，啟動肌膜上 Na+、K+通道開放，Na+、K+沿肌膜離子通道流動，產(chǎn)生終板電位，完成化學信號向電信號的轉換。4） 當終板電位達到肌細胞膜的閾電位時，引發(fā)肌膜產(chǎn)生肌動作電位，動作電位并沿肌膜迅速向整個肌細胞擴布；5） 肌動作電位傳入肌內膜系統(tǒng)，引起肌膜系統(tǒng)終池中的 Ca2+進入肌絲處；6） Ca2+與肌鈣蛋白復合體結合，使橫橋與肌動蛋白的作用點結 合，粗細肌絲相對滑動，肌小節(jié)縮短，肌肉收縮。肌膜上的電信號，轉換成肌肉的機械收縮。4．2．3．2肌電信號檢測的方法肌電信號檢測的主要問題是干擾及噪聲。 肌電信號本身是一種微弱的電信號（肌電信號的幅度一般在 100-5000卩V,—般有用的信號頻率成分位于 0-500HZ范圍內，其中主要能量集中在50-150Hz），加之皮膚和組織對肌電均有衰減作用，在皮膚表面記錄的表面肌電信號比針電極記錄的信號更弱，也更容易受到干擾影響。噪聲主要有：①人體本身感應的50Hz工頻干擾；②因電極和皮膚表面間產(chǎn)生位移或因電極與放大器間的連接線移動而導致的干擾。選用高質量的電子元件、合理設計放大和濾波電路可以減少噪聲影響。這就要求測量系統(tǒng)的靈敏度要高,但高的系統(tǒng)靈敏度勢必導致儀器的抗干擾性降低。檢測和記錄表面肌電信號,需考慮的主要問題是盡量消除噪聲和干擾的影響，提高信號的保真度 ［址⑸。早期，大多采用濾波的方法來克服各種干擾的影響。電極單元的設計是肌電信號檢測的關鍵，設計電極單元應盡量減小信號失真，提高信噪比。合理地放置參考電極也可以減少干擾，參考電極也稱為地電極，它為前置差分放大器的輸入端提供共同的參考點，理論上參考電極應盡可能地遠離檢測電極，并放于電中性的組織上（如骨骼突出處）。但如果參考電極與檢測電極相距太遠也會造成不便，即電極與放大器之間會出現(xiàn)兩根連線。參考電極與皮膚間需保持良好的電接觸，因此參考電極的表面積不能太小，同時要求其電極材料的導電性能好，并能穩(wěn)定地附著于皮膚上。肌電信息的采集可由有線或者無線肌電儀完成，肌電儀的原理可由框圖 4-1表示。采樣頻率一般為 1000hz。放大后的信號經(jīng)有/無線傳輸給主計算機。圖 4-2是中科院合院智能所自行開發(fā)的肌電采集卡。圖4-1肌電儀原理框圖4.2.3.3基于肌電信號的運動狀態(tài)辨識人體各種形式的運動，主要是靠一些肌肉細胞的收縮活動來完成的，然而這些機械收縮運動總是在動作電位發(fā)生數(shù)毫秒后才開始出現(xiàn)。因此，可以認為，肌肉信號是產(chǎn)生肌肉力的電信號根源［⑷。不同肌肉的運動模式是由不同的肌群收縮產(chǎn)生，基于肌肉收縮所伴隨的表面肌電信號（sEMG）不同，將這種微弱的電位變化進行引導、放大等一系列處理，提取與肌肉運動模式相對應的信號特征 口6-36］。基于肌電信號辨識人體運動模式，特別是上肢和下肢關節(jié)的運動狀態(tài)具有重要的意義，因為辨識的結果不僅可以作為類人機械手［35,36］和人工假肢［37-41］的控制信號，還可以作為神經(jīng)假肢的刺激信號，用于對人體進行康復治療 ［4Z48］

通常所獲得的肌電信號是一維時間序列信號，它是表面引導電極所觸及的多個運動單位活動時所產(chǎn)生的電變化在時間和空間上迭加的結果，與運動單位的放電頻率、運動單位活動的同步化程度以及 表面電極放置位置、皮下脂肪厚度、體溫變化等因素有關。多年來，對肌電信號的分析主要集中在時域和頻域兩個領域，信 □八號分析的目的在于通過研究 SEMG信號的時、頻特征與肌肉結構以及肌肉活動狀態(tài)和功能狀態(tài)之間的關聯(lián)性，探討引起 sEMG信號變化的可能原因及應用 sEMG信—■PT于工土一*AtiUtCnr!■-.:LANFlssr二：M?yceiwIriicLt■PT于工土一*AtiUtCnr!■-.:LANFlssr二：M?yceiwIriicLtSrnsDT角廈它汕Anile"raifir圖4-3日本公司研制的HAL-3外骨骼系統(tǒng)構成示意圖口2162122]口2162122]°日本筑波大學開發(fā)的 HAL助力機器人系列就是利用下肢肌電信號來識別人體運動模式［49-51］，如圖4-3所示。4.2.4基于力信息的運動辨識在人體運動的位置檢測中，用高速攝影機進行實地拍攝，是最常用的方法。由于是非接觸式的記錄，因此對人體的實際運動不產(chǎn)生任何影響，其優(yōu)點是能真實反映人體的實際運動情況， 而用該方法獲得分析結果需較長時間。 如果用計算機 -錄像解析系統(tǒng)的話能實現(xiàn)運動動作分析的快速反饋。由于攝像技術局限于場地及其自身體積的限制，不適合助力機器人獲取人體運動信息的方法。由于肌電信號的檢測受表面電極放置位置、皮下脂肪厚度、體溫變化以及人體汗液等不確定因素的影響，對于步行助力機器人而言，任何一次的穿戴都會涉及到電極位置的重新確定，這必然影響每次測量的一致性，另外，對于不同的使用者來說，身體狀況也存在差異，這些都會影響系統(tǒng)的實際運行效果，因此檢測裝置應盡量避免與使用者直接接觸，以減少不確定性因素的影響。步行助力機器人與使用者通過束帶緊密結合在一起，形成一個高度自動化的人機系統(tǒng)，因此對于本項目的研究來說，系統(tǒng)要實時地獲得使用者的運動信息，并且不受空間方位的限制，采用錄像解析系統(tǒng)和光電運動檢測系統(tǒng)顯然不適合。因此，采用一種簡捷有效的運動信息檢測系統(tǒng)是整體研究中必要環(huán)節(jié)。可穿戴型智能助力機器人由可穿戴在人體下肢各部位的機械裝置、動力裝置和控制裝置以及檢測人體運動信息的感受裝置組成，它們組成了一個可提高人體相應部位運動功能與負荷能力的輔助機器人系統(tǒng)以及一個類似人類神經(jīng)系統(tǒng)的局域網(wǎng)。通過本課題提出的假想柔順控制方法，來調節(jié)各測力點的假想質量、假想阻尼和假想彈性，為人體運動時提供相應運動關節(jié)的助力和關節(jié)的減震力等,以減小人體感受的運動強度，使佩帶者借助助力機器人在走路、上下樓、下蹲等動作時輕松自如，并可實現(xiàn)在沒有座椅的情況下“坐”下來休息。首先，