人體運(yùn)動(dòng)信息獲取

人體運(yùn)動(dòng)信息獵取步行助力機(jī)器人以使用者的運(yùn)動(dòng)信息為參考，準(zhǔn)時(shí)作出正確的推斷并無(wú)滯后地為使用者供給步行時(shí)的助力支持，因此人體運(yùn)動(dòng)信息的獵取對(duì)于步行助力機(jī)器人的把握決策系統(tǒng)至關(guān)重要。1運(yùn)動(dòng)圖像采集與分析方法人體的全部動(dòng)作都是在肯定的時(shí)間和空間里進(jìn)展的。時(shí)間和空間位置是動(dòng)作最原始的特征，因此用拍攝運(yùn)動(dòng)圖像的方法來(lái)記錄動(dòng)作最為便利和準(zhǔn)確。運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)技術(shù)的外部特征，獲得運(yùn)動(dòng)過(guò)程中人體姿勢(shì)變化的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。在20世紀(jì)80年月，人體與物體運(yùn)動(dòng)位移軌跡的檢測(cè)一般承受高速電影攝影機(jī)進(jìn)展實(shí)地拍攝，然后對(duì)影片進(jìn)展數(shù)字化處理后，進(jìn)一步作出分析。高速攝像按拍攝方式可分為：平面定機(jī)攝像測(cè)量方法；平面跟蹤攝像測(cè)量方法；立體定機(jī)攝像測(cè)量方法。平面定機(jī)測(cè)量方法簡(jiǎn)潔易行，不影響人體的運(yùn)動(dòng)。但該方法只能測(cè)出人體和物體在垂直于攝像機(jī)主光軸平面上的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，只適用于受測(cè)體在一個(gè)平面上或主要在一個(gè)平面上的運(yùn)開(kāi)工程；且使用平面定機(jī)攝像測(cè)量的平面范圍較小，對(duì)運(yùn)動(dòng)范圍大的工程來(lái)說(shuō)，只能選擇其某一運(yùn)動(dòng)階段進(jìn)展拍攝，例如跑的一個(gè)復(fù)步、跳遠(yuǎn)的助跑最終兩步和起跳等。用平面跟蹤攝像測(cè)量方法拍攝時(shí)，攝像機(jī)的主光軸始終盡可能對(duì)準(zhǔn)受測(cè)體，跟蹤受測(cè)體的運(yùn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。此方法測(cè)量范圍比定機(jī)法大，攝影范圍較小，受測(cè)體成像大，可削減測(cè)量誤差。但由于受測(cè)體的運(yùn)動(dòng)速度因工程、因人而異，所以“跟蹤”難度較大，且攝影機(jī)速度與受測(cè)體速度難以完全一樣，也會(huì)帶來(lái)測(cè)量誤差。平面跟蹤測(cè)量法用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)范圍大、動(dòng)作周期距離長(zhǎng)的運(yùn)開(kāi)工程。立體定機(jī)攝像測(cè)量方法是承受兩臺(tái)或多臺(tái)攝像機(jī)從不同角度對(duì)同一爭(zhēng)辯對(duì)象進(jìn)展同步拍攝，然后把兩臺(tái)或多臺(tái)攝像機(jī)所拍攝的圖像進(jìn)展數(shù)字化，從而獲得人體空間運(yùn)動(dòng)的三維坐標(biāo)，計(jì)算有關(guān)的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù) [8,9]。進(jìn)入20世紀(jì)90年月，錄像解析系統(tǒng)開(kāi)頭應(yīng)用到運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)爭(zhēng)辯中。它是一種像-機(jī)交互式測(cè)量系統(tǒng)，基于立體視覺(jué)的根本原理，應(yīng)用一般攝像機(jī)對(duì)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)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(jiǎn)潔、無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件、測(cè)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(cè)量系統(tǒng)。2光電運(yùn)動(dòng)檢測(cè)分析方法從20世紀(jì)60年月末和70年月初開(kāi)頭，人們將光電技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)檢測(cè)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(gè)系統(tǒng)由六個(gè)局部組成：①反射標(biāo)志物；②頻閃攝像機(jī)；③同步信號(hào)發(fā)生器；④閾值檢測(cè)器；⑤坐標(biāo)發(fā)生器；⑥計(jì)算機(jī)。其簡(jiǎn)潔工作過(guò)程是：在一個(gè)或多個(gè)待測(cè)點(diǎn)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(chǎng)中最光明的點(diǎn)光源并成像于攝像機(jī)的傳感器上。在每次閃耀時(shí)，傳感器上的這些位置信號(hào)通過(guò)掃描方式被提取出來(lái)，成為一個(gè)接一個(gè)的視頻信號(hào)脈沖，由攝像機(jī)輸出，經(jīng)過(guò)閾值檢測(cè)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(hào)脈沖在時(shí)間軸上的位置對(duì)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(gè)計(jì)數(shù)器的讀數(shù)就可以得待測(cè)點(diǎn)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(diǎn)被采集并存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)之中。當(dāng)測(cè)完一個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程之后，就會(huì)有很多幀的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)之中，然后利用相關(guān)軟件進(jìn)展分析處理。3肌電信號(hào)及其運(yùn)動(dòng)辨識(shí)人體的器官、細(xì)胞不斷地發(fā)生化學(xué)性及物理性的變化,這些變化都會(huì)產(chǎn)生電性的變化。近年來(lái)，隨著神經(jīng)生理學(xué)和生物力學(xué)的進(jìn)展，人們對(duì)肌電信號(hào)的產(chǎn)生氣理有了充分的生疏。肌電信號(hào)的爭(zhēng)辯在臨床醫(yī)學(xué)的神經(jīng)肌肉疾病診斷、人機(jī)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(píng)價(jià)以及體育科學(xué)中的疲乏判定、運(yùn)動(dòng)技術(shù)合理性分析、肌纖維類(lèi)型和無(wú)氧閾值的無(wú)損傷性推測(cè)等方面均有重要意義。肌電信號(hào)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(hào)〔sEMG是從皮膚外表通過(guò)電極引導(dǎo)、記錄下來(lái)的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)活動(dòng)時(shí)的生物電信號(hào)，它與肌肉的活動(dòng)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(dòng)[11]。由于外表肌電檢測(cè)對(duì)人體不產(chǎn)生損傷，因此，在相關(guān)爭(zhēng)辯中，多承受外表肌電無(wú)線檢測(cè)技術(shù)。肌電信號(hào)產(chǎn)生的機(jī)理肌電信號(hào)的產(chǎn)生是人體自主運(yùn)動(dòng)時(shí)神經(jīng)、肌肉興奮釋放生物電的結(jié)果，它是一種簡(jiǎn)單的表皮下肌肉電活動(dòng)在時(shí)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(xì)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(xì)胞興奮時(shí)動(dòng)作電位變化和傳導(dǎo)的綜合表現(xiàn)[13。人體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源來(lái)源是肌肉收縮，肌肉收縮是由神經(jīng)沖動(dòng)產(chǎn)生的電信號(hào)刺激肌纖維，使其組織內(nèi)發(fā)生微觀化學(xué)變化過(guò)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(gè)極其簡(jiǎn)單的過(guò)程，中間涉及電 -化學(xué)-電的相互轉(zhuǎn)換，同時(shí)伴隨簡(jiǎn)單的生物化學(xué)反響，其過(guò)程總結(jié)如下：神經(jīng)纖維上的動(dòng)作電位到達(dá)軸突終末，引起突觸前膜 去極化，Ca2+從細(xì)胞外進(jìn)入突觸前膜中。在Ca2+的促發(fā)作用下，突觸小泡向前膜移動(dòng)，乙酰膽堿被釋放到突觸間隙中，完成電信號(hào)向化學(xué)信號(hào)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(dòng)肌膜上 Na+、K+通道開(kāi)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(hào)向電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。當(dāng)終板電位到達(dá)肌細(xì)胞膜的閾電位時(shí)，引發(fā)肌膜產(chǎn)生肌動(dòng)作電位，動(dòng)作電位并沿肌膜快速向整個(gè)肌細(xì)胞擴(kuò)布；肌動(dòng)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(jìn)入肌絲處；Ca2+與肌鈣蛋白復(fù)合體結(jié)合，使橫橋與肌動(dòng)蛋白的作用點(diǎn)結(jié) 合，粗細(xì)肌絲相對(duì)滑動(dòng)，肌小節(jié)縮短，肌肉收縮。肌膜上的電信號(hào)，轉(zhuǎn)換成肌肉的機(jī)械收縮。肌電信號(hào)檢測(cè)的方法肌電信號(hào)檢測(cè)的主要問(wèn)題是干擾及噪聲。肌電信號(hào)本身是一種微弱的電信號(hào)〔肌電信號(hào)的幅度一般在100-5000μV，一般有用的信號(hào)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(duì)肌電均有衰減作用，在皮膚表面記錄的外表肌電信號(hào)比針電極記錄的信號(hào)更弱，也更簡(jiǎn)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(dòng)而導(dǎo)致的干擾。選用高質(zhì)量的電子元件、合理設(shè)計(jì)放大和濾波電路可以削減噪聲影響。這就要求測(cè)量系統(tǒng)的靈敏度要高，但高的系統(tǒng)靈敏度勢(shì)必導(dǎo)致儀器的抗干擾性降低。檢測(cè)和記錄外表肌電信號(hào)，需考慮的主要問(wèn)題是盡量消退噪聲和干擾的影響，提高信號(hào)的保真度法來(lái)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(jì)是肌電信號(hào)檢測(cè)的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)電極單元應(yīng)盡量減小信號(hào)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(chēng)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(diǎn)，理論上參考電極應(yīng)盡可能地遠(yuǎn)離檢測(cè)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(cè)電極相距太遠(yuǎn)也會(huì)造成不便，即電極與放大器之間會(huì)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(shí)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(wú)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(hào)經(jīng)有/無(wú)線傳輸給主計(jì)算機(jī)。圖4-2是中科院合院智能所自行開(kāi)發(fā)的肌電采集卡。肌電信號(hào)電極

EMG前置放大器

波器

放大器處理

接口 以MCU為核

信號(hào)轉(zhuǎn)換4-1肌電儀原理框圖基于肌電信號(hào)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)辨識(shí)人體各種形式的運(yùn)動(dòng)，主要是靠一些肌肉細(xì)胞的收縮活動(dòng)來(lái)完成的，然而這些機(jī)械收縮運(yùn)動(dòng)總是在動(dòng)作電位發(fā)生數(shù)毫秒后才開(kāi)頭消滅。因此，可以認(rèn)為，肌肉信號(hào)是產(chǎn)生肌肉力的電信號(hào)根源[14]。不同肌肉的運(yùn)動(dòng)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(hào)〔sEMG〕不同，將這種微弱的電位變化進(jìn)展引導(dǎo)、放大等一系列處理，提取與肌肉運(yùn)動(dòng)模式相對(duì)應(yīng)的信號(hào)特征 [16-36]?；诩‰娦盘?hào)辨識(shí)人體運(yùn)動(dòng)模式，特別是上肢和下肢關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)具有重要的意義，由于辨識(shí)的結(jié)果不僅可以作為類(lèi)人機(jī)械手[35,36]和人工假肢[37-41]的把握信號(hào)，還可以作為神經(jīng)假肢的刺激信號(hào)，用于對(duì)人體進(jìn)展康復(fù)治療 [42-48]。通常所獲得的肌電信號(hào)是一維時(shí)間序列信號(hào)，它是外表引導(dǎo)電極所觸及的多個(gè)運(yùn)動(dòng)單位活動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的電變化在時(shí)間和空間上迭加的結(jié)果，與運(yùn)動(dòng)單位的放電頻率、運(yùn)動(dòng)單位活動(dòng)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(lái)，對(duì)肌電信號(hào)的分析主要集中在時(shí)域和頻域兩個(gè)領(lǐng)域，信 號(hào)分析的目的在于通過(guò)爭(zhēng)辯sEMG信號(hào)的時(shí)、頻特征與肌肉構(gòu)造以及肌肉活動(dòng)狀態(tài)和功能狀態(tài)之間的關(guān)聯(lián)性，探討引起 sEMG信號(hào)變化的可能緣由及應(yīng)用 sEMG信號(hào)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(dòng)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(yùn)動(dòng)模式識(shí)別中的應(yīng)用較為普遍 [12,16,21,22]。日本筑波大學(xué)開(kāi)發(fā)的HAL 助力機(jī)器人系列就是利用下肢肌電信號(hào)來(lái)識(shí)別人體運(yùn)動(dòng)模式[49-51]，如圖4-3所示。4基于力信息的運(yùn)動(dòng)辨識(shí)在人體運(yùn)動(dòng)的位置檢測(cè)中，用高速攝影機(jī)進(jìn)展實(shí)地拍攝，是最常用的方法。由于是非接觸式的記錄，因此對(duì)人體的實(shí)際運(yùn)動(dòng)不產(chǎn)生任何影響，其優(yōu)點(diǎn)是能真實(shí)反映人體的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀況，而用該方法獲得分析結(jié)果需較長(zhǎng)時(shí)間。 假設(shè)用計(jì)算機(jī)-錄像解析系統(tǒng)的話(huà)能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)作分析的快速反響。由于攝像技術(shù)局限于場(chǎng)地及其自身體積的限制，不適合助力機(jī)器人獵取人體運(yùn)動(dòng)信息的方法。由于肌電信號(hào)的檢測(cè)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(duì)于步行助力機(jī)器人而言，任何一次的穿戴都會(huì)涉及到電極位置的重確定，這必定影響每次測(cè)量的全都性，另外，對(duì)于不同的使用者來(lái)說(shuō)，身體狀況也存在差異，這些都會(huì)影響系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果，因此檢測(cè)裝置應(yīng)盡量避開(kāi)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(jī)器人與使用者通過(guò)束帶嚴(yán)密結(jié)合在一起，形成一個(gè)高度自動(dòng)化的人-機(jī)系統(tǒng)，因此對(duì)于本工程的爭(zhēng)辯來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)要實(shí)時(shí)地獲得使用者的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)明顯不適合。因此，承受一種簡(jiǎn)捷有效的運(yùn)動(dòng)信息檢測(cè)系統(tǒng)是整體爭(zhēng)辯中必要環(huán)節(jié)?？纱┐餍椭悄苤C(jī)器人由可穿戴在人體下肢各部位的機(jī)械裝置、動(dòng)力裝置和把握裝置以及檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)信息的感受裝置組成，它們組成了一個(gè)可提高人體相應(yīng)部位運(yùn)動(dòng)功能與負(fù)荷力量的關(guān)心機(jī)器人系統(tǒng)以及一個(gè)類(lèi)似人類(lèi)神經(jīng)系統(tǒng)的局域網(wǎng)。通過(guò)本課題提出的假想柔順把握方法，來(lái)調(diào)整各測(cè)力點(diǎn)的假想質(zhì)量、假想阻尼和假想彈性，為人體運(yùn)動(dòng)時(shí)供給相應(yīng)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，使佩帶者借助助力機(jī)器人在走路、上下樓、下蹲等動(dòng)作時(shí)輕松自如，并可實(shí)現(xiàn)在沒(méi)有座椅的狀況下“坐”