基于SEMG的肌肉疲劳度评估及其在上肢康复产品设计中的应用研究

发布时间：2020-08-27 16:55

【摘要】：在日常生活中,中风发病常常会引起人们不同程度的运动性障碍,使得部分患者丧失了基本的活动能力,患者为了较快速的恢复,往往忽视了肌肉的疲劳程度而进行长时间或高强度的康复训练,引起了一些负面效果,更甚是危害生命安全。所以,患者需要寻求合理的、有效的治疗方式来帮助自己恢复身体健康。传统的康复或简单的医疗设备已不能满足用户对健康的需求,因此研制新的智能辅助设备对患者进行实时监控并科学地制定康复计划有着广阔的市场前景。人们日常活动中,有些肌肉疲劳可以主观感知而有些则感知不到,如果长时间不顾肌肉的疲劳而过量运动很可能会对肌体产生伤害,所以我们需要实时了解肌肉的疲劳状况,避免对肌体产生伤害。因此,对于肌肉电的实时性检测和反馈是很有必要的。通过对肌肉电信号采集及数据处理的方法研究可以获知,表面肌电信号特征能较好的表征肌体的疲劳状态,凭借它的反馈可以及时了解自身肌肉所处的状态,并做出相对应的科学性康复计划,帮助患者有效的恢复身体健康。本文在深入研究国内外上肢康复机器人的基础上,结合当前的相关康复医学理论,总结出了基于sEMG的肌肉疲劳度的评估在上肢康复设备设计方面的可行性及设计原则,旨在开发一款具有安全性、智能性、实用性等特点的上肢康复训练的设备,用于帮助患有上肢肢体运动障碍的人群,快速恢复日常的生活能力。该设备的系统根据sEMG信号数据来检测肌体的疲劳程度,并给予及时的反馈和提醒,既可以避免对患者肌肉的二次伤害,又可以对患者的上肢关节活动能力进行简单的快速评估。该设备轻便安全,患者不需要医师一对一的跟踪治疗,患者完全可以独立的完成日常的康复训练,在保证患者及时持续治疗的同时,很大程度上也减少了训练费用的开支,所以该康复的用户需求性强,实用范围广,具有较好的市场前景。本文在现有sEMG信号采集的基础上,通过比对患者在不同负载下主动和被动康复时的肌肉疲劳度,提出了基于小波包熵方法来评测肌肉疲劳度并进行检测反馈的方法,并基于此进行研制使患者更安全有效的康复训练的产品。本文主要研究内容有以下几点:1)深入研究国内外康复训练相关产品及系统的研发现状,及康复训练系统评价与检测方法。(2上肢动作的sEMG模式识别的方法研究,包括肌肉的选择,确定特征组合以及算法运行环境及肌电信号采集与处理等。(3)采用小波包熵方法实现对上肢肌肉疲劳程度的评估研究,包括不同运动状态下的信号数据的划分,评价验证等(4)通过前期康复医学及生理结构等理论分析,再结合肌肉疲劳度状态的可视化,推导患者康复训练动作与设备控制机构之间的关系,拟定主动康复运动模式,研发上肢康复训练设备及其交互界面,实现有针对性、科学性的正确训练方式。
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH789
【图文】：

康复训练,康复机器人,机器人,上肢

用于上肢康复机器人的研制中，它综合了现代康复医学、生物力学、计算机等诸逡逑多学科领域，是医用和工用机器人两者相互结合的产物。国际上对上肢康复医用逡逑产品的研究起步较早，早在１９９３年时，加利福尼亚大学的著名学者Ｌｕｍ．Ｐ．Ｓ研逡逑制出了基于手一目标一手（ｈａｎｄ邋ｏｂｊｅｃｔ邋ｈａｎｄ邋ｓｙｓｔｅｍ）的双手康复装置，用于对逡逑患者的康复训练［ＳＨ９］；邋１９９５年麻省理工学院研制了凭借主抗控制来实现多种训练逡逑模式的ＭＩＴ－ＭＡＮＵＳ机器人，用于帮助患者恢复＂°ｎｕ］，如图１＿２；美国芝加哥康复逡逑研宄所Ｋａｈｎ与加州大学Ｒｅｉｎｋｅｎｓｍｅｙｅｒ等人在１９９９年，联和研发／基于测量患逡逑者上肢运动空间的ＡＲＭ－Ｇｕｉｄｅ辅助康复训练设备（１２］，斯坦福大学在２０００年研制逡逑出了能够辅助患者做多向同步镜像训练的ＭＩＭＨ：（ｍｒｒｏｒ－ｉｍａｇｉｎａｂ邋ｌｅ）的上肢康逡逑复机器人１１２］，如图１．４；邋２００２年，英国雷丁大学的学者通过研究并运用了虚拟现逡逑实技术与当时的康复医学相结合，成功研制出了为患者的康复训练提供驱动力和逡逑重力性补偿的ＧＥＮＴＬＥ／Ｓ康复机器人［１３］。逡逑

康复机器人

随着科技的发展，智能化、便携化的上肢康复机器人成为研宄热点。英国逡逑Ｌｅｅｄｓ大学的Ｒａｙｍｏｎｄ邋Ｈｏｌｔ等人设计ｆ邋一款双臂机器人逦ｉＰＡＭ邋（ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ逡逑ｐｎｅｕｍａｔｉｃａｒｍｍｏｖｅｍｅｎｔ）［１Ｓ如图１．４所示。该设备有三个关节，六个自由度，逡逑采用气体动力驱动两个机械臂牵引患肢的手臂，以完成预设定的康复训练动作。逡逑２００５年，意大利Ｒｏｂｅｒｔｏ邋Ｃｏｌｏｍｂｏ等人研制丫腕关节和肩肘关节康复机器人，分逡逑工完成患者腕部和肩肘部康复训练，记录患者训练参数并对活动能力作出评估。逡逑２００６年，瑞士苏黎世大学的Ｔｏｂｉａｓ邋Ｎｅｆ等人研制了一款名为ＡＲＭｉｎ的新型上逡逑肢康复机器人Ｍ５］，其属于半外骨骼机器人，具有六个空间自由度，可以同时对肩逡逑部和肘部进行训练。它能对患肢提供重力补偿，完成对患肢的康复训练。２００７逡逑年，美国华盛顿大学研制出ＣＡＤＥＮ－７电缆驱动的上肢外骨骼康复机器人，它可以逡逑实现肩部伸屈

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