一种手腕关节运动力矩的肌电估计方法技术

本发明专利技术公开了一种手腕关节运动力矩的肌电估计方法。该方法采集前臂6块肌肉在用户手腕关节弯曲伸展过程中的表面肌电信号，利用TKE算子计算肌肉收缩时间。利用等速肌肉力测试系统与肌电仪同步测量各肌肉等长收缩最大张力。建立腕关节正向肌骨模型，输入肌肉收缩时间与各肌肉等长收缩最大张力，输出腕关节弯曲伸展极限位置处估计力矩。利用三维运动捕捉系统获得腕关节弯曲伸展过程中运动学数据，并解算出极限位置处参考力矩。将模型估计力矩与参考力矩误差的平方作为目标函数，利用共轭梯度法完成腕关节正向肌骨模型的标定，实现表面肌电信号对手腕关节力矩的估计。本发明专利技术可应用于肌电假手、康复医疗、生机电一体化等领域。

【技术实现步骤摘要】
一种手腕关节运动力矩的肌电估计方法
本专利技术属于智能假手与生机电一体化
，涉及一种手腕关节运动力矩的肌电估计方法。
技术介绍
目前，由于意外、疾病等原因造成的手部缺失患者人数已达千万。现有医疗水平还无法实现手部再生，故假肢是手部缺失患者恢复手部功能的唯一方式。肌电假手是基于人手臂表面肌电信号特征感知人体运动意图，控制假手实现相应操作，从而满足手部残疾患者日常生活所需。与传统假手相比，其功能更加完善，能够更好的提升患者使用的幻肢感。大脑产生的兴奋信号经神经系统传递至肌肉纤维，从而产生动作电位。一方面动作电位相互叠加在人体表面形成表面肌电信号；另一方面动作电位沿着肌纤维向多个方向传播，引起肌纤维收缩，产生肌肉力并带动骨骼绕关节运动。又因为表面肌电信号的产生通常先于实际动作发生，所以表面肌电信号在某种程度上可以预测人体运动意图。肌电假手正是利用表面肌电信号与人体运动意图之间的关系来帮助手部缺失患者满足日常生活与工作所需。现有肌电假手在人体运动意图感知方面主要聚焦于假手抓握动作的分类，忽略抓握过程中力矩的研究。为了保证假手抓握的稳定性，除了提供合适的手部抓握力，对于腕关节的抓本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种手腕关节运动力矩的肌电估计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：建立用户手腕关节正向肌骨模型；步骤2：利用多关节等速肌力测试系统与表面肌电仪同步测量前臂各肌肉等长收缩最大张力；步骤3：在利用三维运动捕捉系统采集用户手腕关节3种运动速度下腕关节运动学数据的同时，利用表面肌电仪同步采集人手前臂6块肌肉表面肌电信号，并进行预处理，利用TKE算子求出肌肉收缩时间；步骤4：利用三维运动捕捉系统采集用户手腕关节运动学数据，建立用户手腕关节简化模型，进行逆动力学求解，得到用户手腕关节弯曲伸展极限位置处力矩；步骤5：利用共轭梯度法完成腕关节正向肌骨模型标定。

【技术特征摘要】
1.一种手腕关节运动力矩的肌电估计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：建立用户手腕关节正向肌骨模型；步骤2：利用多关节等速肌力测试系统与表面肌电仪同步测量前臂各肌肉等长收缩最大张力；步骤3：在利用三维运动捕捉系统采集用户手腕关节3种运动速度下腕关节运动学数据的同时，利用表面肌电仪同步采集人手前臂6块肌肉表面肌电信号，并进行预处理，利用TKE算子求出肌肉收缩时间；步骤4：利用三维运动捕捉系统采集用户手腕关节运动学数据，建立用户手腕关节简化模型，进行逆动力学求解，得到用户手腕关节弯曲伸展极限位置处力矩；步骤5：利用共轭梯度法完成腕关节正向肌骨模型标定。2.根据权利要求1所述的手腕关节运动力矩的肌电估计方法，其特征在于，步骤1的具体方法如下：步骤1-1：基于表面肌电信号的单块肌肉力计算：应用Hill三元素模型，Hill方程描述为：(a+F)(V+b)＝b(F0+a)简化为：式中，a、b为实验参数，F0是等长收缩最大张力，V是肌肉收缩速度，F0、V是肌肉纤维初始长度、温度、周围环境的化学组成及浓度等的函数；肌肉收缩速度V表示为：式中，t为肌肉收缩时间，Δl为肌肉收缩长度；采用表面肌电信号持续时间作为肌肉收缩时间，而表面肌电信号持续时间能够利用TKE算子求出；肌肉收缩长度作为实验参数进行优化；则单块肌肉力最终简化表达式为：步骤2-2：多块肌肉共同作用下腕关节力矩求解：根据骨杠杆原理，单块肌肉收缩力在关节上产生的转动力矩为：Ti＝ri×Fi·cos(φi)i＝1,2,…,N式中，ri为关节转动中心到力作用点的位移矢量；Fi为肌肉力矢量；φi为肌肉羽状角；N为肌肉数量；将其转换为：Ti＝ki·Fii＝1,2,…,N式中，ki＝ri·cos(φi)为比例系数；确定每块肌肉对关节的力矩贡献并相加，即得到腕关节力矩：至此得到腕关节正向肌骨模型，实现表面肌电信号估计腕关节运动力矩，即：3.根据权利要求1所述的手腕关节运动力矩的肌电估计方法，其特征在于，步骤2的具体方法如下：选取前臂桡侧腕长伸肌、桡侧腕屈肌、尺侧腕长伸肌、尺侧腕屈肌、指总伸肌和指浅屈肌为肌肉测点，利用表面肌电仪同步采集前臂6块肌肉表面肌电信号；手掌与前臂保持水平为0°，用户手腕关节弯曲伸展范围为腕伸60°与腕屈75°之间；选取等长张力测量模式，分别测量受试者在腕伸30°、60°与腕屈30°、60°下屈肌和伸肌的峰力矩；测试时，每个角度重复3次，1-2s内达到最大力量并保持5s，得到各角度下屈肌与伸肌的峰力矩；分别选取屈肌与伸肌在每个角度下所得最大峰力矩作为该角度下的峰力矩，再比较屈肌和伸肌在四种角度下峰力矩，选取最大值作为最大峰力矩，即屈肌和伸肌的等长收缩最大张力；同步采集人手前臂6块肌肉表面肌电信号，对表面肌电信号进行预处理之后提取表面肌电活跃强度特征值，并计算各通道表面肌电信号活跃强度最大幅值；计算桡侧腕长伸肌、尺侧腕长伸肌、指总伸肌的表面肌电信号活跃强度最大幅值之比，将伸肌最大峰力矩乘以各肌肉肌电活跃强度最大幅值占比计算出各伸肌的等长收缩最大张力；同理得到桡侧腕屈肌、尺侧腕屈肌、指浅屈肌的等长收缩最大张力。4.根据权利要求1所述的手腕关节运动力矩的肌电估计方法，其特征在于，步骤3的具体方法如下：步骤3-1：表面肌电信号的采集与预处理：选取与用户手腕关节弯曲伸展运动相关的前臂6块肌肉，分别为桡侧腕屈肌、桡侧腕长伸肌、尺侧腕屈肌、尺侧腕长伸肌、指总伸肌、指浅屈肌；利用表面肌电仪采集其表面肌电信号，并对其进行带通滤波与陷波滤波，去除噪声干扰；步骤3-2：肌肉收缩时间计算：利用TKE算子检测表面肌电信号的起止时刻，由此计算表面肌电信号持续时间作为肌肉收缩时间；表面肌电信号能够表征为一串离散的数字信号，对于给定的离散信号，T...

【专利技术属性】
技术研发人员：张小栋，孙晓峰，陆竹风，李瀚哲，张毅，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61