本文關(guān)鍵詞：柔性力敏傳感在人體運(yùn)動(dòng)信息獲取和反饋訓(xùn)練中的應(yīng)用研究　出處：《中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：隨著人機(jī)交互技術(shù)發(fā)展進(jìn)入自然交互階段,對(duì)傳感技術(shù)也提出了更進(jìn)一步的要求,柔性力敏傳感器具有高密度、高柔韌性、高貼合性等物理特點(diǎn),適合柔性、曲面和不規(guī)則形狀界接觸力信息檢測(cè),它是人手掌和足底與外界交互作用力信息獲取的一種有效手段。本文針對(duì)競(jìng)技體育、全民健身和康復(fù)治療領(lǐng)域的若干典型應(yīng)用場(chǎng)景,在國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家體育總局全民健身攻關(guān)課題等支持下,首先開展了在傳感器性能的標(biāo)定校準(zhǔn),在此基礎(chǔ)上以柔性力敏技術(shù)為核心構(gòu)建人體運(yùn)動(dòng)信息獲取和反饋訓(xùn)練系統(tǒng)。1.柔性力敏傳感器信號(hào)校準(zhǔn)及處理方法研究。在不規(guī)則曲面壓力測(cè)量中,剪切力和曲面曲率對(duì)柔性力敏傳感器的性能有著顯著影響,本文對(duì)此研究了傳感器信號(hào)校準(zhǔn)及處理方法。針對(duì)由于剪切力引起的測(cè)量誤差,通過改造偏擺儀構(gòu)建剪切力標(biāo)定裝置,建立傳感器表面的剪切應(yīng)力-傳感器輸出模型,研究發(fā)現(xiàn)傳感器表面的剪切應(yīng)力能增大傳感器的輸出,其中較小徑向垂直加載時(shí)影響較明顯,接近8%;針對(duì)曲面半徑引起的測(cè)量誤差,設(shè)計(jì)了一種可變曲面半徑的標(biāo)定裝置,建立曲率半徑-傳感器輸出模型,研究證實(shí)的曲率半徑減小傳感器數(shù)據(jù)的輸出,其中曲面半徑越小對(duì)傳感器的準(zhǔn)確性影響越明顯,半徑為20mm,傳感器的輸出偏差能達(dá)到-16.7%。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明,本文所設(shè)計(jì)的標(biāo)定校準(zhǔn)方法顯著提升運(yùn)動(dòng)環(huán)境下手接觸力信息和足底接觸力信息測(cè)量準(zhǔn)確性�；谌嵝粤γ魝鞲械娜梭w運(yùn)動(dòng)信息檢測(cè)方法研究。準(zhǔn)確測(cè)量摩托車駕駛過程中手掌-把手接觸力信息,對(duì)評(píng)估摩托車選手技術(shù)合理性、優(yōu)化騎行技術(shù)、預(yù)防事故風(fēng)險(xiǎn)具有重要作用。本文使用柔性力敏傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)了曲面接觸下手與摩托車器件的接觸力信息獲取,使用自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)粒子群優(yōu)化算法設(shè)計(jì)了手功能動(dòng)作識(shí)別算法,結(jié)合傳感器標(biāo)定校準(zhǔn)處理優(yōu)化了檢測(cè)效果,構(gòu)建了一種不妨礙摩托車運(yùn)動(dòng)員正常操作的過程化、細(xì)節(jié)性手操控信息獲取力感應(yīng)手套式系統(tǒng)。試驗(yàn)表明,摩托車力感應(yīng)手套式系統(tǒng)對(duì)剎車、離合動(dòng)作的識(shí)別準(zhǔn)確率能達(dá)到90%以上,油門、轉(zhuǎn)向技術(shù)動(dòng)作的準(zhǔn)確識(shí)別率通過曲面校準(zhǔn)后準(zhǔn)確識(shí)別率提高到85%以上,應(yīng)用于澳大利亞超級(jí)摩托車聯(lián)盟職業(yè)賽車運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)診斷和訓(xùn)練指導(dǎo)。下肢力量是蹦床、舉重等競(jìng)技體育項(xiàng)目的核心評(píng)價(jià)指標(biāo),以往主要采用測(cè)力平臺(tái)進(jìn)行下肢力量評(píng)估,其安裝與標(biāo)定過程復(fù)雜、難以實(shí)現(xiàn)便攜式快速測(cè)量。對(duì)此,本文使用柔性力敏傳感技術(shù)研制的便攜式壓力平板,在特征層對(duì)足底地面反作用力的時(shí)間域和空間域信息進(jìn)行相似度分析,建立了一種基于足底地面反作用力Morlet小波分析的下肢力量精確性評(píng)價(jià)方法。該裝置具有安裝簡(jiǎn)便、場(chǎng)地限制少等優(yōu)點(diǎn),所構(gòu)建的預(yù)測(cè)模型顯著性小于0.01,能較好地區(qū)分不同等級(jí)運(yùn)動(dòng)員的下肢力量精確性水平,已應(yīng)用于我國(guó)蹦床運(yùn)動(dòng)員的選材和訓(xùn)練指導(dǎo)。3.基于柔性力敏傳感的反饋訓(xùn)練研究。學(xué)齡前兒童平衡能力綜合反映骨肌與神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育水平,發(fā)展低成本、可普及至學(xué)校和家庭的專項(xiàng)訓(xùn)練儀器,對(duì)于促進(jìn)學(xué)齡前兒童身體機(jī)能具有重要意義。本文整合柔性力敏傳感的平衡能力檢測(cè)和基于光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉的體感游戲,設(shè)計(jì)了基于自適應(yīng)興趣動(dòng)機(jī)模型的訓(xùn)練處方管理方法、基于平衡能力量化評(píng)估的訓(xùn)練方案動(dòng)態(tài)調(diào)整方法,相比傳統(tǒng)方法,不僅能有效增加能耗增強(qiáng)身體活動(dòng)水平(P0.05),同時(shí)能顯著改善平衡能力(P0.05),形成一種低成本、適合居家訓(xùn)練的平衡能力測(cè)訓(xùn)一體化系統(tǒng)。功能性電刺激治療廣泛應(yīng)用于偏癱等步行障礙的康復(fù)治療,在運(yùn)動(dòng)過程中結(jié)合目標(biāo)肌群自主收縮進(jìn)行強(qiáng)化電刺激訓(xùn)練,是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文采用柔性力敏傳感技術(shù)檢測(cè)足底壓力信息,采用標(biāo)定校準(zhǔn)處理抑制行走過程中摩擦力等剪切應(yīng)力對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。由于能準(zhǔn)確識(shí)別步態(tài)時(shí)項(xiàng),尤其是實(shí)現(xiàn)電刺激輔助的被動(dòng)肌肉收縮與大腦神經(jīng)控制的主動(dòng)肌肉收縮同步,相比傳統(tǒng)電刺激訓(xùn)練,患側(cè)支撐相(P0.05)和雙支撐相(P0.05)改變明顯,運(yùn)動(dòng)能力提高,腦功能激活偏側(cè)化指數(shù)顯著改善(P0.01),顯著提升偏癱患者的康復(fù)效果。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TP212

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