用于指力协同配合模式研究的实验装置设计

论文摘要

人手是人体最灵活、最精密的运动器官。通过手指和手掌的配合,人手能够完成各种精巧复杂的动作。指力是人手与外界作用时各手指指尖产生的力学信息,对指力的检测及其协同规律的研究,作为人手运动分析的组成部分之一,在医学康复工程及仿生机构研制等方面具有重要的学术和实用价值。本文从人手本身的运动和行为科学的角度出发,设计开发了用于指力协同配合模式研究的实验系统,包括指力检测硬件装置和实验软件界面;其中指力检测硬件装置又包括硬件电路和机械装置。硬件电路由测力传感器、放大电路和数据采集卡构成,分别实现指力信号的提取、放大和模数转换功能。测力传感器选用厦门诺盛公司生产、型号为LAA/N的电阻应变式传感器,放大电路主要由仪用放大器AD620构成,数据采集卡选用NI公司生产的USB6008。机械装置由传感器固定组件和支承底座构成,其功能是为传感器提供安装底座,并运用滑块和滑轨调节传感器在平面上的位置以适应不同人的手形。系统软件在LabVIEW虚拟仪器开发平台下完成,由指力检测装置定标、指力偏差测量、手指力量输出实验等模块构成,实现指力实验数据的采集和存储,同时向实验人员提供简洁易用的操作界面和向受试者提供视觉反馈。本文对所研制的实验装置进行了包括重复性和线性度在内的性能测试,测试结果表明该测量装置具有良好的重复性(最大相对极差2.041%)和线性度(最大均方根误差0.0059N)。在确定系统的有效性后,用其进行了指力协同模式的初步实验研究。该实验旨在通过检测、分析人手的4个手指(不包括大拇指)产生不同水平力量和力以及在不同任务阶段中各手指指力的分配情况,来得到关于手指协同模式的实验性规律。7名健康受试者参加了实验。实验要求受试者在有视觉反馈的情况下,将各手指同时作用于指力测量装置表面,通过协同各手指输出的力量,在2s的准备阶段后,使各手指指力之和呈线性上升1s并达到三种指定的力量水平(分别为5N、10N和15N),保持该力量水平不变5s,然后同样用1s的时间将和力线性下降至最初的水平,最后放松1s时间。记录上述过程中受试者各手指输出的指力大小,计算每个手指输出力量在总体输出力量中所占的比重。实验结果显示,对于所有受试者的所有力量水平,食指所占的力量百分比在上升阶段呈现增涨,这种增涨趋势一直持续到保持阶段,并在保持阶段达到峰值,在力量下降阶段略有不明显下降,放松阶段食指所占的百分比重新恢复至初始准备阶段的比重。中指的百分比变化趋势与食指类似,但不如食指明显。而无名指和小指所占的力量百分比的变化趋势则正与食指相反,两者在上升阶段呈下降趋势,并在保持阶段达到谷值,在下降和放松阶段,均呈上升趋势。其中小指的下降或上升变化趋势更为明显。该实验结果提示运动神经系统能根据运动任务的改变精确地调节手指间的力量分配模式,这种协同模式的变化规律从某种程度反映了神经系统的控制策略或机制。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 指力协同配合模式研究的意义
• 1.3 国内外研究状况
• 1.4 本文的主要工作内容
• 1.4.1 实验装置设计
• 1.4.2 指力协同模式的初步实验研究
• 1.5 本文的结构
• 2 指力协同配合模式的研究理论和方法
• 2.1 人手的解剖结构和运动生理特征
• 2.1.1 人手的解剖结构
• 2.1.2 人手关节的运动形式
• 2.1.3 人手的自由度
• 2.1.4 人手运动的生理特征和参数
• 2.2 指力协同配合功能的分析方法
• 2.2.1 人手运动的冗余度问题
• 2.2.2 Bernstein 问题的提出
• 2.2.3 生物力学分析法
• 2.2.4 神经网络建模分析法
• 2.3 指力协同配合机理的研究理论
• 2.3.1 协同元控制理论
• 2.3.2 分层次控制理论
• 2.3.3 UCM 决策理论
• 2.4 本章小结
• 3 指力检测硬件装置设计
• 3.1 系统硬件功能及构成
• 3.2 指力检测装置的电路设计
• 3.2.1 电路框图
• 3.2.2 测力传感器
• 3.2.3 放大电路
• 3.2.4 数据采集卡
• 3.3 指力检测装置的机械设计
• 3.3.1 传感器固定组件
• 3.3.2 支承底座
• 3.3.3 指力测量原理
• 3.4 硬件装置实物外观
• 3.5 本章小结
• 4 系统软件设计
• 4.1 设计思路
• 4.2 软件编程平台 LabVIEW
• 4.2.1 LabVIEW 简介
• 4.2.2 LabVIEW 及驱动软件的安装
• 4.2.3 NI-DAQmx 软件和 DAQ 助手
• 4.3 软件结构
• 4.3.1 软件的工程结构
• 4.3.2 软件的功能结构
• 4.4 软件功能设计与实现
• 4.4.1 指力检测装置定标模块
• 4.4.2 指力偏差测量模块
• 4.4.3 手指力量输出实验模块
• 4.4.4 主程序设计及软件流程
• 4.5 本章小结
• 5 实验装置性能测试
• 5.1 实验装置误差分析
• 5.2 重复性实验
• 5.2.1 实验方法
• 5.2.2 误差计算
• 5.3 静态特性实验
• 5.3.1 实验方法
• 5.3.2 误差计算
• 5.4 线性度实验
• 5.4.1 实验方法
• 5.4.2 实验数据和测试结果
• 5.5 本章小结
• 6 指力协同模式的实验研究
• 6.1 指力协同模式实验
• 6.1.1 实验对象
• 6.1.2 实验器材
• 6.1.3 实验方法和步骤
• 6.1.4 实验数据采集
• 6.2 实验数据分析方法
• 6.3 实验结果
• 6.4 结论和讨论
• 6.5 本章小结
• 7 总结与展望
• 7.1 本文的主要工作及成果
• 7.2 后续研究工作的展望
• 7.2.1 实验装置的改进措施
• 7.2.2 指力协同配合模式的研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 附录 A 作者在攻读学位期间发表的论文目录
• 附录 B 硕士期间参与的科研项目