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申请/专利权人：西安交通大学

摘要：一种基于表面肌电信号的人体膝关节力矩测试系统及方法及应用，包括以下步骤；步骤1：用户下肢股外侧肌、半腱肌、股二头肌长头、腓肠肌内侧头四块肌肉的肌电信号采集及特征提取；步骤2：利用三维运动捕捉系统同步采集用户在行走过程中腿部运动学数据，解算用户膝关节角度，同时利用测力跑台同步采集用户在行走过程中足部的足底压力，构建用户腿部简化动力学模型，进行逆动力学求解，得到用户膝关节计算力矩；步骤3：构建膝关节力矩测试长短期记忆LSTM神经网络的训练数据集和测试数据集，利用步骤1和步骤2获得的数据完成膝关节力矩测试神经网络模型的训练。本发明具有应用范围广、测试精度高的特点。

主权项：1.一种基于表面肌电信号的人体膝关节力矩测试方法，其特征在于，包括以下步骤；步骤1：用户下肢股外侧肌、半腱肌、股二头肌长头、腓肠肌内侧头四块肌肉的肌电信号采集及特征提取；步骤2：在步骤1的过程中，利用三维运动捕捉系统同步采集用户在行走过程中腿部运动学数据，解算用户膝关节角度，同时利用测力跑台同步采集用户在行走过程中足部的足底压力，构建用户腿部简化动力学模型，进行逆动力学求解，得到用户膝关节计算力矩；步骤3：构建膝关节力矩测试长短期记忆神经网络的训练数据集和测试数据集，利用步骤1和步骤2获得的数据完成膝关节力矩测试神经网络模型的训练；所述的步骤2包括：利用步骤1中三维运动捕捉系统同步采集用户在行走1min过程中右腿的运动学数据，解算用户膝关节角度，同时利用测力跑台同步采集用户在行走过程中右足的足底压力，构建用户右腿简化动力学模型，进行逆动力学求解，得到用户膝关节计算力矩；1设计用户右腿运动学数据采集实验，在用户右腿的髋关节、膝关节、踝关节和脚尖上分别粘贴四个标记点，利用三维运动捕捉系统来获得四个标记点在三维空间中的坐标变化；由于用户右腿和三维运动捕捉系统的XOY平面平行，因此只需要标记点X和Y坐标即可解算出膝关节旋转角度，髋关节、膝关节、踝关节和足部外侧中心的标记点坐标可以表示xhip，yhip，xknee，ykneexankle，yankle和xtoe，ytoe利用插值法求解各肢体节段的质心坐标如下： 其中x1，y1，x2，y2和x3，y3分别为大腿、小腿和足的质心坐标，l1、l2和l3分别为大腿、小腿和足的长度，即髋关节到膝关节、膝关节到踝关节和踝关节到足尖的长度，l1a、l2a和l3a分别髋关节到大腿质心、膝关节到小腿质心和踝关节到足的质心的距离；为求得质心运动的速度和加速度，对运动轨迹进行一阶微分和二阶微分： 选取了各段肢体质心-关节连线与水平地面的夹角θn作为特征角，计算θn时可使用直线的斜率，并需要判断θn是否大于90°；如果θ90°，则： 如果θ90°，则： 为求得各肢体节段特征角的角速度和加速度，对角度进行一阶微分和二阶微分： 膝关节角度为小腿与大腿的夹角，可用下式计算：θk＝θ1-θ22构建人体下肢简化动力学模型，根据人体下肢运动学信息及足底压力计算人体在行走过程中的膝关节力矩；可以将人体下肢简化为刚性三连杆模型，人体行走过程中根据脚是否接触地面将步态分为支撑相和摆动相，摆动相的下肢简化模型可以看成是s固定的三连杆模型，支撑相的下肢简化模型可以看成是足底固定的三连杆模型；首先单独对足部进行研究，将其视为刚体，根据牛顿欧拉方程得足部的动力学方程可以表示为： 其中，F2,3为小腿作用在足部上的力；Fy为地面对足部的垂直地面分力；Fx为地面对足部的平行地面分力；G3为足部的重力；M2,3为小腿作用在足部的力矩；I3为小腿对足部质心的力臂；Iy为Fy对足部质心的力臂；Ix为Fx对足部质心的力臂；根据足部动力学方程可以解算得到踝关节力矩，其包含足底压力，也为支撑相的踝关节力矩： 将上式的足底压力项去除，即为摆动相的踝关节力矩，上式可适用于整个步态周期，摆动相计算时只需把足底压力置为0； 对小腿进行研究，将其视为刚体，根据牛顿欧拉方程得小腿的动力学方程可以表示为： 其中，F1,2为大腿作用在小腿上的力；G2为小腿的重力；M1,2为大腿作用在小腿的力矩；I2为小腿的力臂；I2a为大腿对小腿作用点小腿质心的力臂；根据小腿动力学方程可以解算得到膝关节力矩，解算得到膝关节力矩： 三维运动测试系统包括8通道表面肌电信号采集仪、三维运动捕捉系统和三维测力跑台以及时间同步器，8通道表面肌电信号采集仪可以进行测试者下肢表面肌电信号的采集，三维运动捕捉系统可以捕捉测试者下肢膝关节的运动数据，三维测力跑台可以采集测试者在行走过程中足底和跑台之间的三维作用力，时间同步器可以保证8通道表面肌电信号采集仪、三维运动捕捉系统和三维测力跑台三种设备在数据采集中的同步性；所述的步骤1具体包括：1肌电信号的采集与预处理：选取受试者右腿膝关节为测试对象，在测试前使受试者做适当放松活动，并用酒精擦拭右腿股外侧肌、半腱肌、股二头肌长头、腓肠肌内侧头位置处的皮肤，作为肌电信号的采集点，利用四通道表面肌电仪以1500HZ的速度同步采集受试者以2ms的速度行走1min时的右腿四块肌肉的肌电信号，并用零滞后4阶巴特沃兹滤波器30Hz和50Hz的陷波器，对原始肌电信号分别进行高通滤波消除运动伪影和滤除50Hz工频干扰，之后进行全波整流；2肌电信号特征提取肌电信号为离散信号，将预处理后的肌电信号以30个采样点为窗口进行平均肌电值AEMG、肌电均方根值RMS的提取，平均肌电值AEMG和肌电均方根值RMS的计算公式分别如下： 其中，Data[i]为肌电信号；N为窗口大小；再对预处理后的肌电信号进行平均功率频率MPF，中位频率MF特征提取，平均功率频率MPF和中位频率MF的计算公式分别如下： 其中fs为采样频率，Sf是肌电信号的功率谱密度函数，最后再利用最近邻值方法将特征信号降采样到100Hz。

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