上肢分离运动（精选3篇）
上肢分离运动 篇1
0 引 言
目前,上肢康复机器人[1]以其长期、稳定重复训练,精确、客观测定训练与运动参数以及可提供实时反馈、远程训练等功能,在康复领域得到了患者和医护人员的认可。当前已有MIT-MANUS[2]、AMRin[3]、 MIME[4]等多种康复训练机器人,可代替理疗师来驱动病患上肢进行康复运动。在此基础上,通过将患者上肢按照正常运动轨迹进行重复驱动,即能达到“运动再学习”的效果。研究者以点到点(point to point)运动为研究对象,根据驱动手臂运动的肌肉力的变化,提出一组优化原则,用于理论上预测上肢运动的优化轨迹[5]。Nelson[6]提出了使用目标函数来预测单关节上肢的复合运动及多关节上肢平面运动的优化轨迹,大都取得了与实验相吻合的仿真结果。Uno等[7]提出最小肌肉张力变化模型,以“能量消耗最少”为原则,来预测人体上肢平面运动的轨迹,并通过仿真得到,手端的运动特征与优化的特征相符的结论。在国内,杨义勇等人[8]建立了神经兴奋-肘关节肌肉收缩的动力学模型,利用最优控制方法计算肘关节快速屈伸和旋前、旋后的符合运动,计算结果与实验结果在肌肉力矩、肌电信号等方面的参数相吻合。此外,清华大学的UECM机器人也实现了轨迹定量试验,通过患肢末端的运动轨迹与给定轨迹相比较,与Fugl- Meyer[9]评价标准相结合,得到患者上肢恢复情况的量化值[10]。
以上研究得到的运动轨迹中,有些仅仅针对于单关节运动,有些是多关节单一平面运动,与上肢的正常运动大范围与灵活程度相比,局限较大,且数学模型复杂,计算量大。而诸如MIT-MANUS、UECM类型的末端驱动机器人在进行康复运动时,只能规划其末端的运动轨迹,无法对患肢的每个关节进行单独有效的驱动,对于康复初期病患上肢的联合反应不能进行有效的约束和矫正。
本研究介绍一种基于主动发光标志点三维运动捕捉仪的上肢运动轨迹测量方法。该方法根据上肢功能正常实验者的运动数据来计算有效的上肢基本运动轨迹。同时设定不同的任务场景,将每个关节的运动数据加以复合后,经过基本的数据处理,得到与日常活动中相仿的上肢运动轨迹,以作为上肢康复机器人进行上肢被动训练的驱动研究参考。
1 实验模型结构
正常人体上肢运动共有7个自由度:肩关节屈伸、肘关节屈伸、腕关节屈伸、肩关节旋前旋后、腕关节旋前旋后、肩关节外展内收、腕关节掌屈掌伸。康复训练针对上肢运动的主要运动自由度,对于本身运动幅度较小、对上肢整体运动影响不大的自由度可予以忽略,且自由度的增加也会加大康复机器人的制作成本及复杂程度。该实验将上肢运动简化成4个运动自由度的组合(上肢运动学模型如图1所示),分别为:肩关节的屈伸、肩关节的外展与内收,肘关节的屈伸、腕关节的旋前与旋后[11]。根据D-H法则[12],本研究规定各关节的旋转轴线为坐标系的Z轴,两坐标原点之间的连杆方向为X轴,并分别建立了4个旋转关节的坐标系。
2 实验对象、设备与原理
2.1 实验对象
实验对象为5人,平均年龄(25±2)岁,其中女性2人,男性3人,上肢均无运动功能障碍。
2.2 实验设备
该实验采用的主要设备为NDI运动捕捉仪,采用Optotrak三维运动测量系统[13]。该仪器捕捉各个发光Marker点的空间位置变化来测量各运动数据。此外,还需使用PC及其他实验辅助道具。
2.3 实验原理
运动模型中共有3个主要运动关节,其中肘关节与腕关节为单自由度。而对于类球铰的肩关节,本研究在分析运动时,将空间运动分解到各平面上分别进行解析。以人体正前方为Z轴正方向,竖直向下为Y轴正方向建立参考坐标系,坐标零点及三轴方向与NDI运动捕捉仪的零点和三轴方向重合。
Optotrak三维运动测量系统主要由传感器,SCU控制单元、Marker点、PC及连线组成。实验系统构成如图2所示,试验者在手臂上绑定主要的测量Marker点,加上若干用于辅助定位的Marker点。传感器安放在实验者对侧,以实时记录实验中各Marker点位置的变化,Marker1～Marker9的序号如图3所示。数据结果为Marker点的三轴坐标Mi_x,Mi_y,Mi_z(i=1～9)。
2.3.1 肩部屈伸、外展内收关节角度测量
本研究在人体上臂上固定2个Marker点,使Marker7和Marker9成为一个空间运动矢量:
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在基准处固定Marker10和Marker11,构成基准向量:
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本研究将在空间运动的矢量投影在矢状面上(如图3所示),对应肩关节的外展内收运动;投影在和水平面上,对应肩关节的屈伸运动,即分解为Vecyz和Vecxz。相应地,将Vecstd分解为Vecstd_yz和Vecstd_xz。其中:
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于是,肩关节屈伸角度和肩关节外展内收角度为:
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2.3.2 肘关节角度测量
测量肘关节旋转角度的Marker点布置如图4(a)所示,共6个Marker点,分别在两个体节处形成平面。其中Marker7,Marker8,Marker9构成平面Pupper,其法向量为Nupper;Marker4,Marker5,Marker6构成平面Pfore,其法向量为Nfore。两个法向量之间的夹角即肘关节屈伸的旋转角度:
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2.3.3 腕关节角度测量
测量腕关节旋转角度的Marker点布置如图4(b)所示,共6个Marker点。其中Marker1,Marker2,Marker3构成平面Pwrist,其法向量为Nwrist。腕关节旋内旋外的旋转角度即为:
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2.4 实验设计
人体日常生活运动(Activities of Daily Living, ADL)指多数人为了独立完成日常生活活动,每天必须反复进行的、最基本的活动,包括穿衣、进食、个人卫生等基本动作和技巧。该思想方法被广泛应用于运动障碍评估、损伤评价、康复评价及关节灵活度等方面的评价[14]。人体上肢运动具有随意性和多变性,且不像步态行走一样具有标准和规律,故需对人体上肢的日常活动进行合理的简化和归纳,来设计若干实验阶段。本研究将实验分为以下几个阶段:
第1阶段:单关节运动。包括腕关节旋内旋外、肘关节屈伸、肩关节屈伸、肩关节外展内收。这4个动作是该上肢模型的基本动作,也是所有上肢运动的构成元素。实验数据作为单关节连续被动运动的参考之用。
第2阶段:上肢范围运动。一些日常生活中所涉及到的动作,如吃饭、刷牙、移动物体等都需要上肢对某一目标在一定范围内进行触摸、握持等动作,故使上肢在其运动范围内进行正常运动是康复训练的重要目标。该次实验将人体本身作为参考,选定了上肢(右臂)康复运动的范围:上—右手触摸额前;左—右手触摸左侧肩部;右—右手触摸右侧肩部;左下—右手触摸左侧腰部;右下—右手触摸右侧腰部。本研究以这5点作为范围的运动目标来测量上肢的运动参数。
第3阶段:任务实验。康复后期,患者已经能够完成各大运动关节的基本运动。此时需要进行较精细的多关节协作任务实验,来帮助患者进一步进行康复。该实验设计两款轨迹跟踪任务,患者按照实验桌上简单的几何图形(三角形和四边形)来绘制轨迹。实验中保持实验者上身竖直,座椅与桌子间距离固定。
3 实验结果与分析
实验数据为多人多组结果,本研究取其中一段周期和若干特征点,利用插值、拟合等方法得到各关节的角度变化轨迹。
3.1 单关节试验
在第1阶段单关节运动试验中,关节角度变化呈现明显的周期性,且其轨迹接近于正弦函数。肘关节屈伸角度变换曲线的拟合过程如图5所示,本研究取2 s为一个运动周期,采集各波峰、波谷的数值后得到一个以正弦函数为基准的拟合曲线来作为该组运动的标准运动轨迹曲线。原曲线波谷处产生的毛刺是由于运动到极限位置时,肢体因制动产生的振动所致,本研究将其视作圆滑轨迹处理。最终得到的轨迹方程为:
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式中:t—时间,单位1.0×10-2 s。
其他各单关节角度轨迹曲线以此类推。
3.2 多关节试验
第2、3阶段为多关节协同运动。本研究将各关节的运动数据在同一图表中标出。其中,第2阶段上肢基本分解运动的结果曲线也为类正弦曲线,处理方式与第1阶段相同。第2阶段任务实验阶段中各关节运动轨迹曲线较复杂,如图6(a)所示。首先,本研究以肩关节屈伸为例,根据图形特征采集若干特征点的坐标(ti,θi)(i为特征点数量),再用10次多项式将曲线重新拟合,得到方程:
本研究将其用傅里叶多项式在全领域展开后,得到如图6(b)所示的完整的轨迹曲线及其方程。其他关节依此类推。
3.3 仿真验证
利用ADAMS建立的3杆简易上肢模型如图7所示。本研究将上述得到的各拟合轨迹方程加载至各关节的驱动中加以验证。
三角形轨迹任务实验仿真如图8所示。仿真结果表明,各个方程均符合上肢的运动规律,运动频率适当,峰值过渡平缓,可以作为上肢关节驱动的参考。图8中的离散点为任务实验的末端轨迹,实线为理想轨迹,两种轨迹基本吻合,证明拟合关节角度符合实际的运动情况。
4 结束语
上肢关节运动参数是上肢康复运动的一个重要依据,但相比于下肢运动,上肢运动的相对范围更大,运动自由度多,所需完成的任务更为复杂多样,同一个人完成同一个动作时,关节的运动参数也不可能完全相同,不利于标准运动轨迹的设计与规划的因素较多。
本研究利用NDI运动捕捉设备产生的上肢运动数据来制定运动轨迹,相较于使用数学、力学的推导方法更为直观有效。实验结果经过特征点拟合、多项式拟合、傅里叶展开后,可得到一组具有明显周期性的上肢关节角度拟合变化曲线,其中包含4组单关节运动,5组范围运动以及2组任务实验。经过软件仿真后,证明所拟合的曲线与实际运动轨迹基本吻合,仿真轨迹与理想轨迹最大误差为6.84%,根据康复科医师意见,可将其作为上肢康复机器人的运动参考轨迹。
仿真误差主要由实验者的运动误差及函数拟合误差造成,今后的研究中可结合康复机器人传感器构成反馈系统,实现轨迹的自修正,从而进一步完善上肢运动轨迹方程。
上肢分离运动 篇2
通过对上肢力量的研究, 和对国内、外优秀运动员的研究对比, 提出对我国现阶段短跑技术发展的指导意义、对短跑今后的训练有更加深刻和全面的认识。
长期以来, 我们一直强调短跑动力主要靠后蹬获得的支撑反作用力, 后来20世纪80年代, 提出以强调重视蹬摆结合技术的新观念。在运动实践中, 提出了重视快速摆动的技术, 在理论研究中, 提出了伸髋与积极落地技术, 进而提出蹬摆结合, 以摆为主的新观念。但遗憾的是此时提到的摆动主要是指下肢摆动。这些就是我国近几年的对短跑运动员的发展方向的研究, 但是在国际上并没有取得很大的地位和突破性的增长。
2 上肢力量的主要作用及影响
2.1 对步长和步频的影响
对步长和步频的主要影响来自髂腰肌, 髂腰肌由髂肌和腰大肌组成。髂肌呈扇形, 起自髂窝;腰大肌为长形, 起自腰椎体侧面及横突。向下两肌相合, 经腹股沟韧带深面, 止于股骨小转子。髂腰肌在近侧支撑情况下, 髂腰肌的收缩使大腿积极折叠前摆和高速高抬, 不但对步频的提高有很重要的影响, 而且对提高步幅也有及其关键的作用;在远侧支撑的情况下, 髂腰肌的收缩使人体的躯干和骨盆快速前移, 使身体的重心前移, 增大了支撑腿对地面压力的反作用力向前的分力, 从而提高了短跑的专项成绩。我国田径界一直对我国选手的步频充满信心, 但却忽略了一个根本现实, 即我国选手的步频是由小腿实现的, 而跑的步频应该是由大腿剪切完成的, 这也就是我们一直无法协调步频与步幅之间关系的根源。
2.2 跑动中维持身体的平衡
肢体发力瞬间, 一般是在深呼吸后屏气阶段, 腹内压骤然升高, 腹部就像是充足气的汽车轮胎, 由里向外鼓胀。相反, 腹壁的肌肉群自然由外向内收缩合抱, 因此摧发四肢运动到位, 就连整个身体也呈向核心收缩的趋势, 这样的核心部位异常的充实, 撞之不开, 晃之不散, 整个身体处于一个统一整体。摆臂的稳定、好坏和上肢力量关系是很密切, 在跑动中增加两腿蹬摆力量、提高蹬摆速度有很关键的作用摆臂, 增加上肢力量和下肢力量的平衡是现在提高短跑成绩的发展趋势。
2.3 上肢力量的增加减少下肢的负荷
对短跑运动员的研究发现, 上下肢肌肉发展的平衡对成绩起到很大的作用, 以前我们强调下肢力量, 从而忽视了上肢的训练, 我们总是认为跑步, 特别是短跑都是由于下肢发力, 慢慢地过度到全身, 我们应该更新自己的观念, 短跑中不再一惯的强调下肢, 注意力慢慢地放在上肢, 使全身的肌肉有一个比较协调的发展, 这样的作用在于减少了下肢的负荷, 解放股四头肌, 短跑中不单单只是它起到作用, 很多肌肉和它一起完成这个动作的。
3 国内外运动员的差异
3.1 身体形态上的差异
从表中我们不难看出差异的所在, 主要原因是中国以前对于田径短跑项目的认识上的偏差, 认为后蹬是人体向前的力的源泉, 田径训练也就注重于腿部的练习, 总是在腿上做文章, 于是深蹲就成为主要的力量练习手段, 而没有形成对人体的整体训练认识。
3.2 成绩上的对比
(1) 100米成绩
从表中我们很容易的看的出, 我们和世界水平的差异是很明显的。
(2) 110米栏
表格中很明显的看到在110米栏中国内的水平和国外的水平是旗鼓相当的, 甚至可以说我们略领先于国外的水平。
110米栏的成功不是偶然, 这给我们以后在短跑事业方面的研究是有很大的参考价值和指导意义的。我们从刘翔身体素质得到不少启示, 刘翔到底和国外的运动员比优势在哪儿, 技术固然很重要, 可是在2004年刘翔的技术还不算很出色, 但却跑出了优秀的成绩, 研究发现而他有一副“特别的髂腰肌”, 成典型的倒三角胡萝卜型。在100米的比赛中我们不断的创造出惊喜, 同时我们看到运动员的上肢力量在发生着变化, 上下肢肌肉也变得协调, 从整个身体的形态看比较匀称, 不过要想在世界上取得不错的成绩还必须继续在这方面上下功夫。
4 训练上肢力量的方法和手段
4.1 起动力
针对不同的力量素质方法和手段也不相径同, 常用的练习方法主要包括以下几种: (1) 利用地形、地物的各种短跑、起跑和跑的辅助练习; (2) 沙地跑、上 (下) 坡路跑、跑楼梯障碍跑等练习; (3) 利用各种器械 (橡皮带、沙袋、等) 进行短跑练习; (4) 穿加重背心的起跑加速、加速跑突然改变动作方向跑、计时短跑、系铅腰带的加速跑, 负轻杠铃或其他轻器械跑等。
4.2 爆发力
发展爆发力的途径与方法在现代短跑训练中, 爆发力训练是力量训练的一个重点。爆发力的发展取决于提高肌肉的收缩速度和提高肌肉的收缩力量, 所以我们根据这个特点采取间歇性训练的手段, 间歇时间比较长保证工作能力得到充分恢复。
4.3 快速力量耐力
训练的特征与方法快速力量耐力是指运动员在运动中较长时间保持快速用力的能力, 它与短跑的终点跑保持速度的能力有密切关系。力量耐力分动力性力量耐力和静力性力量耐力, 动力性力量耐力可细分为最大力量耐力和快速力量耐力。短跑项目运动员必须要进行动力性力量耐力训练。下面是几种动力性耐力训练方法持续间歇法、强度间歇法、循环训练法、极端用力法、等动练习法。
5 结论与建议
5.1 结论
我们在田径项目中并不是没有一席之地, 我们不缺少运动员, 我们需要更新的是我们的训练方法和理念。后备人才的训练对力量的训练我们没有更远的目光, 为了一时的成绩不考虑运动员今后的发展, 为提高成绩埋下了很大隐患。为了避免出现我们后继无人的窘境, 在这一点上必须把眼光放在未来, 而不是为了现在的成绩放弃更好的成绩。
5.2 建议
上肢分离运动 篇3
1 资料与方法
1.1 一般资料
筛选2011年7月～2012年7月本院脑卒中患者32例,均符合我国现行的脑血管疾病诊断标准,经头部CT明确诊断,为病情稳定,小学以上文化程度,排除骨骼肌肉病变所致上肢运动功能障碍的患者。随机分为治疗组16例；脑梗死12例,脑出血4例；平均年龄(52.5±6.1)岁；病程40～116 d,平均(78.1±14.5)d。对照组16例,男10例,女6例；脑梗死8例,脑出血8例；平均年龄(53.4±6.8)岁。病程41～120 d,平均(80.6±13.5)d。两组患者认知功能评定、上肢运动功能评定比较差异无统计学意义(P>0.05),具有可比性。
1.2 治疗方法
两组均采用神经发育学疗法对患者进行肢体功能训练。训练每周5 d,2次/d,每次不少于30 min,持续训练8周。治疗组在此基础上进行认知功能训练,包括(1)注意力训练：视觉跟踪、猜测游戏、删除游戏、迷宫、电脑游戏等；(2)记忆力训练：可采用背数字、默写词语、短文复述、拼图等；(3)思维训练：安排一些简单的活动如拼图、搭积木、切苹果等；(4)计算能力训练：十位数以内的加减乘除；(5)综合分析能力训练：物品分类训练、假设问题处理,并将这些训练运用到日常生活中。
1.3 评定方法
(1)认知功能评定:采用中文版简易智能状态检查(mini-mental state examination,MMSE)量表评定；(2)上肢运动功能评定采用简式Fugl-Meyer运动量表评估患者上肢运动功能[1,2]。每位患者在开始治疗前评定一次,训练两个月后再做一次评定,评定由不参与治疗的医生完成。
1.4 统计学方法
应用SPSS11.0统计软件进行,两组前后对比采用t检验。
注：治疗前后对比,aP<0.05；治疗后两组比较,bP<0.05
2 结果
如图表1所示,经训练后所有患者的MMSE和上肢的运动功能均有所改善,治疗组的上肢运动功能明显优于对照组。
3 讨论
认知功能障碍指大脑高级智能加工过程出现异常,从而引起严重学习、记忆障碍,同时伴有失语、失用、失认或失行等改变的病理过程。认知的基础是大脑皮层的正常功能,任何引起大脑皮层功能和结构异常的因素均可导致认知障碍。由于大脑的功能复杂,且认知障碍的不同类型互相关联,即某一方面的认知问题可以引起另一方面或多个方面的异常。认知训练可以促进中枢神经系统功能重组,增强中枢神经系统的可塑性,同时认知训练采用丰富的环境刺激使脑皮质增厚,树突分支增加,神经元体积和密度增加,营造一个利于神经生长的环境[3]。大量研究表明脑卒中后认知功能训练不仅可以改善患者的认知功能障碍[4],在促进运动功能恢复,提高日常生活能力方面也有重要意义[5,6]。上肢功能的恢复在很大的程度上依赖于患者的认知能力,如注意力、物品空间位置关系、综合分析能力等等,进行认知训练间接或直接帮助患者上肢功能的恢复。
本研究发现,认知训练有利于上肢功能的改善。训练前两组之间无明显的差异性,但是训练后两MMSE及上肢Fugl-Meyer比较均有显著性差异(P<0.05),其结果显示认知训练可以促进上肢功能的恢复。因此,实施认知训练,增加信息刺激,有利于大脑功能的重组,建立新的通路,不仅可以促进上肢功能的恢复还可以减少肩痛、肩手综合征等并发症的发生,提高患者的生活质量。
参考文献
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