[发明专利]一种手腕关节运动力矩的肌电估计方法

权利要求书

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，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Teager-Kaiser Energy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手腕关节力矩求解：

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：

T_i＝r_i×F_i·cos(φ_i),i＝1,2,…,N_muscle

式中，r_i为关节转动中心到力作用点的位移矢量；F_i为肌肉力矢量；φ_i为肌肉羽状角；N_muscle为肌肉数量；

将其转换为：

T_i＝k_i·F_i,i＝1,2,…,N

式中，k_i＝r_i·cos(φ_i)为比例系数；

确定每块肌肉对关节的力矩贡献并相加，即得到手腕关节力矩：

至此得到手腕关节正向肌骨模型，实现表面肌电信号估计手腕关节运动力矩，即：

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种运动速度下手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Teager-Kaiser Energy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手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表面肌电信号活跃强度最大幅值之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。