上肢多自由度运动协同分析及康复训练运动模拟.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘 要 偏瘫运动障碍是最为常见的脑卒中后症状，由于心脑血管疾病和其他意外导 致的上肢运动功能障碍不仅给患者群体带来了极大的身心伤害也对社会造成了沉 重的负担。借助上肢康复助力装置进行康复训练是恢复和重构运动功能的有效途 径。当前的许多上肢康复助力装置都是以固定运动模式进行康复训练，这种单一 的训练方式没有充分的考虑人体关节的正常运动模式，因此如何使多自由度的上 肢康复设备在时间空间上尽可能配合人体关节的真实运动是当前康复工程领域的 研究热点。在国家 863 项目 “基于多源生物信息解码的智能交互控制技术与系统 （2015AA042303 ）”支持下，本文设计了一种基于上肢多关节运动协同模式的新 型运动控制策略，旨在改善传统上肢康复设备的固定训练模式，以适应肢体关节 的真实运动模式和轨迹，满足上肢康复助力设备在偏瘫患者群体中的应用需求。 目标物够取是上肢最基本的运动功能，本文首先研究了偏瘫患者在进行上肢 伸够运动过程中的运动模式异常及肌电活动异常，设计了3 个位置的目标任务（同 侧、中侧和对侧）并采集了 3 名健康受试者及2 名不同程度的偏瘫患者的运动学 数据及肌电信号，结果表明患者在能够基本完成相应运动的基础上仍表现出病理 性的上肢运动模式，严重的运动功能障碍患者难以通过肌肉收缩带动肢体完成相 应的目标任务并伴随着严重混乱的肌肉协同模式。 在此基础上进一步研究了上肢多关节的运动协同模式。实验设计了多方向多 角度的 10 个目标任务位置并采集了 10 名健康受试者在上肢伸够运动过程中的上 肢多关节运动学数据。我们定义了肩关节前屈/后伸，肩关节外展/ 内收，肩关节内 旋/外旋和肘关节屈曲/伸展四个关节角度，通过数据预处理后构建关节角速度矩阵， 随后利用主成分分析提取上肢多关节的运动协同模式，并对不同受试者的运动协 同模式进行了相关性分析，最后使用不同个数的协同模式对运动数据进行信号重 构。结果表明：前四个运动协同模式可解释超过原始数据 94%的方差，即上肢的 复杂伸够运动可由四个协同模式（或主成分）的线性组合表征，其次运动协同模 式配合方式会根据目标任务位置而发生动态变化，最后从数据重构曲线中可知不 同协同模式对肢体运动具有不同的贡献，即低维协同模式已经能够基本反应出运 动速度的整体变化趋势，但仍需要高维协同模式的参与才能使重构运动更接近于 真实运动。 最后，本文设计了虚拟手臂用于上肢运动协同模式的运动控制模拟及效果演 示。分别选择了不同个数的协同模式进行运动数据重构并计算了各关节的角度变 化曲线，实现了基于虚拟上肢平台的上肢多关节运动协同模式的运动控制模拟； I 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 同时分别研究了不同运动协同模式重构对末端执行器空间误差的影响。结果显示， 上肢的运动协同模式可作为上肢康复助力外骨骼的控制策略，同时增加参与重构 的协同模式个数可以有效降低末端执行点与真实目标位置的误差，这有利于优化 上肢康复设备的精确控制策略。 本课题提出并初步验证了基于上肢多关节的运动协同模式的运动控制策略， 使多自由度康复装置极大程度的配合人体关节的真实运动模式，提高偏瘫患者的 康复训练效果，为后续的上肢康复助力装置的控制策略提供了新的思路。 关键词：上肢运动；运动协同模式；主成分分析；运动控制模拟；运动康复 II 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 Abstract Hemiplegia is currently reported to be the most common post-stroke symptom. The upper limb physical disability caused by cardiovascular and cere

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