人體運動信息獲取

人體運動信息獵取步行助力機器人以使用者的運動信息為參考，準(zhǔn)時作出正確的推斷并無滯后地為使用者供給步行時的助力支持，因此人體運動信息的獵取對于步行助力機器人的把握決策系統(tǒng)至關(guān)重要。1運動圖像采集與分析方法人體的全部動作都是在肯定的時間和空間里進展的。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便利和準(zhǔn)確。運動生物力學(xué)在當(dāng)前主要借助三維錄像、高速攝像等獵取運動技術(shù)的外部特征，獲得運動過程中人體姿勢變化的運動學(xué)參數(shù)。在20世紀(jì)80年月，人體與物體運動位移軌跡的檢測一般承受高速電影攝影機進展實地拍攝，然后對影片進展數(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潔易行，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開工程；且使用平面定機攝像測量的平面范圍較小，對運動范圍大的工程來說，只能選擇其某一運動階段進展拍攝，例如跑的一個復(fù)步、跳遠的助跑最終兩步和起跳等。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(zhǔn)受測體，跟蹤受測體的運動而轉(zhuǎn)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，可削減測量誤差。但由于受測體的運動速度因工程、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一樣，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開工程。立體定機攝像測量方法是承受兩臺或多臺攝像機從不同角度對同一爭辯對象進展同步拍攝，然后把兩臺或多臺攝像機所拍攝的圖像進展數(shù)字化，從而獲得人體空間運動的三維坐標(biāo)，計算有關(guān)的運動學(xué)參數(shù) [8,9]。進入20世紀(jì)90年月，錄像解析系統(tǒng)開頭應(yīng)用到運動生物力學(xué)爭辯中。它是一種像-機交互式測量系統(tǒng)，基于立體視覺的根本原理，應(yīng)用一般攝像機對目標(biāo)點進展拍攝，并結(jié)合三維空間重構(gòu)的方法獵取被拍攝物的空間坐標(biāo)，其構(gòu)造簡潔、無機械運動部件、測量空間大、使用便利，是目前體育界應(yīng)用較廣泛的一種非接觸式測量系統(tǒng)。2光電運動檢測分析方法從20世紀(jì)60年月末和70年月初開頭，人們將光電技術(shù)應(yīng)用于運動檢測中 [10]。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)由六個局部組成：①反射標(biāo)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(biāo)發(fā)生器；⑥計算機。其簡潔工作過程是：在一個或多個待測點上固定著反射標(biāo)志物，在50Hz的紅外閃耀光束的照耀之下，成為視場中最光明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(biāo)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(yīng)著標(biāo)志物的坐標(biāo)位置。因此，由坐標(biāo)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(dāng)紅外光閃耀一次，就有一幀圖像上的光點被采集并存儲于計算機之中。當(dāng)測完一個運動過程之后，就會有很多幀的數(shù)據(jù)存儲于計算機之中，然后利用相關(guān)軟件進展分析處理。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(xué)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(xué)和生物力學(xué)的進展，人們對肌電信號的產(chǎn)生氣理有了充分的生疏。肌電信號的爭辯在臨床醫(yī)學(xué)的神經(jīng)肌肉疾病診斷、人機工效學(xué)領(lǐng)域肌肉工作的工效學(xué)分析、康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的肌肉功能評價以及體育科學(xué)中的疲乏判定、運動技術(shù)合理性分析、肌纖維類型和無氧閾值的無損傷性推測等方面均有重要意義。肌電信號依據(jù)引導(dǎo)電極的不同，可分為針電極肌電和外表肌電。外表肌電信號〔sEMG是從皮膚外表通過電極引導(dǎo)、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(guān)聯(lián)性，因而能在肯定程度上反映神經(jīng)肌肉的活動[11]。由于外表肌電檢測對人體不產(chǎn)生損傷，因此，在相關(guān)爭辯中，多承受外表肌電無線檢測技術(shù)。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(jié)果，它是一種簡單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)象為根底的。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(dǎo)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(nèi)發(fā)生微觀化學(xué)變化過程而導(dǎo)致的結(jié)果。神經(jīng)傳向肌肉并引起肌肉的收縮是一個極其簡單的過程，中間涉及電 -化學(xué)-電的相互轉(zhuǎn)換，同時伴隨簡單的生物化學(xué)反響，其過程總結(jié)如下：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。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(xué)信號的轉(zhuǎn)換。乙酰膽堿與終板膜上的乙酰膽堿受體結(jié)合，啟動肌膜上 Na+、K+通道開放，Na+、K+沿肌膜離子通道流淌，產(chǎn)生終板電位，完成化學(xué)信號向電信號的轉(zhuǎn)換。當(dāng)終板電位到達肌細胞膜的閾電位時，引發(fā)肌膜產(chǎn)生肌動作電位，動作電位并沿肌膜快速向整個肌細胞擴布；肌動作電位傳入肌內(nèi)膜系統(tǒng)，引起肌膜系統(tǒng)終池中的 Ca2+進入肌絲處；Ca2+與肌鈣蛋白復(fù)合體結(jié)合，使橫橋與肌動蛋白的作用點結(jié) 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(zhuǎn)換成肌肉的機械收縮。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100-5000μV，一般有用的信號頻率成分位于 0-500Hz范圍內(nèi)，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，在皮膚表面記錄的外表肌電信號比針電極記錄的信號更弱，也更簡潔受到干擾影響。噪聲主要有：①人體本身感應(yīng)的 50Hz 工頻干擾；②因電極和皮膚外表間產(chǎn)生位移或因電極與放大器間的連接線移動而導(dǎo)致的干擾。選用高質(zhì)量的電子元件、合理設(shè)計放大和濾波電路可以削減噪聲影響。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(dǎo)致儀器的抗干擾性降低。檢測和記錄外表肌電信號，需考慮的主要問題是盡量消退噪聲和干擾的影響，提高信號的保真度法來抑制各種干擾的影響。

[14,15]。早期，大多承受濾波的方電極單元的設(shè)計是肌電信號檢測的關(guān)鍵，設(shè)計電極單元應(yīng)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削減干擾，參考電極也稱為地電極，它為前置差分放大器的輸入端供給共同的參考點，理論上參考電極應(yīng)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〕。但假設(shè)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消滅兩根連線。參考電極與皮膚間需保持良好的電接觸，因此參考電極的外表積不能太小，同時要求其電極材料的導(dǎo)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。肌電信號電極

EMG前置放大器

波器

放大器處理

接口 以MCU為核

信號轉(zhuǎn)換4-1肌電儀原理框圖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)毫秒后才開頭消滅。因此，可以認為，肌肉信號是產(chǎn)生肌肉力的電信號根源[14]。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外表肌電信號〔sEMG〕不同，將這種微弱的電位變化進展引導(dǎo)、放大等一系列處理，提取與肌肉運動模式相對應(yīng)的信號特征 [16-36]。基于肌電信號辨識人體運動模式，特別是上肢和下肢關(guān)節(jié)的運動狀態(tài)具有重要的意義，由于辨識的結(jié)果不僅可以作為類人機械手[35,36]和人工假肢[37-41]的把握信號，還可以作為神經(jīng)假肢的刺激信號，用于對人體進展康復(fù)治療 [42-48]。通常所獲得的肌電信號是一維時間序列信號，它是外表引導(dǎo)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(jié)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 外表電極放置位置、皮下脂肪厚度、體溫變化等因素有關(guān)。多年來，對肌電信號的分析主要集中在時域和頻域兩個領(lǐng)域，信 號分析的目的在于通過爭辯sEMG信號的時、頻特征與肌肉構(gòu)造以及肌肉活動狀態(tài)和功能狀態(tài)之間的關(guān)聯(lián)性，探討引起 sEMG信號變化的可能緣由及應(yīng)用 sEMG信號的變4-3日本公司研制的HAL-3外骨骼系統(tǒng)構(gòu)成示意圖化有效反映肌肉的活動和功能。其中，小波分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的分析方法在人體運動模式識別中的應(yīng)用較為普遍 [12,16,21,22]。日本筑波大學(xué)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，用高速攝影機進展實地拍攝，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狀況，而用該方法獲得分析結(jié)果需較長時間。 假設(shè)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響。由于攝像技術(shù)局限于場地及其自身體積的限制，不適合助力機器人獵取人體運動信息的方法。由于肌電信號的檢測受外表電極放置位置、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確定，這必定影響每次測量的全都性，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(yīng)盡量避開與使用者直接接觸，以削減不確定性因素的影響。步行助力機器人與使用者通過束帶嚴(yán)密結(jié)合在一起，形成一個高度自動化的人-機系統(tǒng)，因此對于本工程的爭辯來說，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，承受錄像解析系統(tǒng)和光電運動檢測系統(tǒng)明顯不適合。因此，承受一種簡捷有效的運動信息檢測系統(tǒng)是整體爭辯中必要環(huán)節(jié)?？纱┐餍椭悄苤C器人由可穿戴在人體下肢各部位的機械裝置、動力裝置和把握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(yīng)部位運動功能與負荷力量的關(guān)心機器人系統(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把握方法，來調(diào)整各測力點的假想質(zhì)量、假想阻尼和假想彈性，為人體運動時供給相應(yīng)運動關(guān)節(jié)的助力和關(guān)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)在沒有座椅的狀況下“坐”