基于表面肌电的坡道步态失稳自适应平衡研究

摘要

滑跌是酿成工作场所、家居环境和公共场所意外事故的主要原因之一，而带有坡度的道路是发生滑跌的典型路况条件之一。对于行走过程中偶发的滑跌现象，人会做出一系列自主反应恢复平衡，肌电信号能够较好地反映人在发生自主反应时的肌肉活动状态和功能状态。本课题是从人在坡道行走过程中发生失稳现象的内因进行分析，采集相关肌肉的肌电信号，并结合步态参数进行分析，探究坡道步态失稳后的自适应平衡策略。该策略可以应用在双足机器人、下肢矫正、康复工程等领域。
　　通过同步使用表面肌电系统和vicon运动采集系统，采集10位健康男性在坡度为0、1∶12、1∶10三种坡道上进行干燥和油的下坡对比行走试验时，下肢左右侧十六块主要肌肉（左右股直肌、左右股外侧肌、左右股内侧肌、左右半腱肌、左右股二头肌、左右胫骨前肌、左右内侧腓肠肌、左右外侧腓肠肌）的表面肌电信号和步态参数进行分析。主要研究以下三个方面内容并得出相应的结论。
　　第一，分别在坡度为0、1∶12、1∶10三种坡道环境下，使用单因素方差分析湿滑介质油和干燥环境下的各个步态时相的时间、步速、步幅;踝关节、膝关节、髋关节的关节角度;平均幅值、肌电积分、峰值、肌肉激活延迟时间、肌肉激活持续时间、肌肉协同收缩率。分析湿滑介质油扰动后的步态参数和肌电参数变化规律，总结出湿滑介质扰动下的自适应平衡规律。
　　第二，使用单因素方差分析不同坡度扰动下（坡度为0、1∶12、1∶10）在湿滑介质油面下各个步态时相的时间、步速、步幅;踝关节、膝关节、髋关节的关节角度;平均幅值、肌电积分、峰值、肌肉激活延迟时间、肌肉激活持续时间、肌肉协同收缩率。分析随着坡度增加步态参数和肌电参数是否有明显的线性变化规律，并总结出坡度扰动下的自适应平衡规律。
　　第三，分别在坡度为0、1∶12、1∶10三种坡道环境下，分析湿滑介质油扰动下肢左右侧肌肉的肌电幅值在一个步态周期内变化情况，结合关节角度，总结出湿滑介质油扰动下的自适应平衡规律，并初步探讨双足机器人自适应平衡控制设计方法。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状及其局限性

1．2．1 平地步态失稳研究

1．2．2 坡道步态失稳研究

1．3 主要研究内容

2 人体下肢骨骼肌肉和肌电信号概述

2．1 人体下肢骨骼肌肉概述

2．1．1 下肢骨骼肌肉分类

2．1．2 参与下肢各关节运动的主要肌群

2．1．3 行走试验的肌群选取

2．2 肌电信号概述

2．2．1 肌电信号产生原理

2．2．2 表面肌电信号概述

3 试验方案设计

3．1 试验对象

3．2 实验设备

3．3 试验设计

3．3．1 试验设计步骤

3．3．2 试验注意事项

3．4 测试指标

3．4．1 步态参数

3．4．2 肌电参数

3．5 试验数据处理

4 湿滑介质扰动下自适应平衡反应分析

4．1 坡度为0湿滑介质扰动下自适应平衡反应分析

4．1．1 步态参数分析

4．1．2 下肢肌电参数显著性分析

4．1．3 本节小结

4．2 坡度为1∶12湿滑介质扰动下自适应平衡反应分析

4．2．1 步态参数分析

4．2．2 下肢肌电参数显著性分析

4．2．3 本节小结

4．3 坡度为1∶10湿滑介质扰动下自适应平衡反应分析

4．3．1 步态参数分析

4．3．2 下肢肌电参数显著性分析

4．3．3 本节小结

5 坡度扰动下自适应平衡反应分析

5．1 步态参数分析

5．1．1 时-空参数分析

5．1．2 运动学参数分析

5．2 坡度扰动下下肢肌电参数变化规律分析

5．2．1 平均幅值分析

5．2．2 肌电积分分析

5．2．3 峰值分析

5．2．4 时间参数

5．2．5 肌肉的协同收缩率分析

5．3 本章小结

6 双足机器人自适应平衡控制方法探究

6．1 坡度为0时双足机器人自适应平衡控制方法探究

6．2 坡度为1∶12时双足机器人自适应平衡控制方法探究

6．3 坡度为1∶10时双足机器人自适应平衡控制方法探究

7 总结和展望

7．1 全文工作总结

7．2 研究展望

参考文献

致谢