精准抓握动力学的感知运动控制研究

论文摘要

人们的工作生活处处离不开双手的灵巧运动,其中精确抓握是最重要的手功能形式,是人类完成各种精细复杂的操作的基础。精确抓握的最简形式是由拇指和食指配合完成的。这一看似简单的运动形式内部蕴含着丰富且复杂的神经控制和感知运动机制,无论在基础研究还是临床上疾病诊断都有非常重要的研究价值。目前,关于精确抓握过程中手指动力学的感知运动控制机制,特别是受试者疲劳状态、抓握物体重心分布以及任务操作要求等多方面因素的关系还不明确。为此,本研究就此开展了一系列的基础研究,分别探究生理性因素、抓握物体因素以及任务因素对于健康成年人精准抓握感知运动动力学的影响。本文主要完成以下工作:(1)局部肌肉疲劳对于精准抓握运动的影响。由于长时间负荷导致局部肌肉疲劳,会引起人体功能产生退弱,精准抓握运动受疲劳作用会产生动作的协调性、准确度和灵活性下降。力量输出大小和波动性,以及表面肌电信号幅值和功率谱等常作为评价肌肉疲劳的参数。本研究设计了双手的运动性疲劳试验以及精准抓握测试,使用三个参数对局部肌肉疲劳进行分析,分别计算了疲劳前后精准抓握运动指尖力量输出大小和波动性、指尖压力中心点以及手指力向量角度。结果显示单侧手疲劳对于低水平力输出(<5N)并无明显影响,对于压力中心点影响在双手疲劳效应没有一致性(左手疲劳无显著性影响),而力向量角度衡量肌肉疲劳具有较好的有效性,双手和双指均表现为力向量有更大偏离正压力方向的趋势。同时,运动性局部肌肉疲劳(外周性疲劳)没有表现出对侧转移的现象。(2)外部偏转力矩对于精准抓握运动的影响。精准抓握运动不仅需要实时的反馈调控,还需要根据经验和运动记忆进行前向预测。在抓握常见熟悉的物体时,根据经验可以实现准确和快速的精准控制,但是抓握陌生或视觉信息失误的抓握物体时,则会产生预测失误,需要通过重复抓握练习,不断学习和纠正错误预测,更新内部模型,使运动更加有效正确。本研究设计了重心偏置的物体,要求受试者在精准抓握中保持物体最小倾斜角。结果显示随着实验次数增加(2～3次),物体最大偏转角、补偿力矩以及补偿力矩达到理论值的时间间隔均达到理想状态且趋于稳定,显示了正确的前向预测和在线的后向反馈使运动抓握更加完善。同时对第4～6次试验数据(双指垂直切向力差dLF、压力中心点距离dCOP以及正压力GF)进行线性相关性分析,发现dLF和dCOP呈现显著负相关,体现了在精准运动抓握中感知运动的运动学和动力学控制融合。(3)运动视觉引导对于精准抓握运动的影响。环境、物体和人是构成一项任务的基本要素,而三者之间的信息传递很多通过视觉反馈,精准抓握运动中,视觉提供抓握物体的信息帮助受试者进行抓握预测,同时结合触觉反馈和本体感知进行实时调控,本研究研究在移除实际抓握物体、手及前臂的运动视觉信息条件下,精准抓握运动中的动力学参数的变化,其中包括时间参数(够物期、预负载期、负载期时长),力学参数(最大负载力、最大捏力、安全边界)以及物体位置(三方向坐标及变异系数)。结果显示视觉反馈主要影响抓握初期,尤其是够物期、预负载期以及提取过程中负载力最大值;而稳定保持期,每位受试者的安全边界没有受视觉因素的显著性影响,保持特异性。整体研究显示视觉反馈主要影响受试者对于抓握运动的信心和速度,以及抓握运动计划。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1. 研究背景及意义
•   1.2. 研究理论基础
•     1.2.1 精准抓握动研究基础
•     1.2.2 精准抓握运动学参数基础
•     1.2.3 精准抓握内部模型控制基础
•     1.2.4 研究目的
•   1.3. 论文大纲
• 第二章 局部肌肉疲劳对于精准抓握运动的影响
•   2.1. 研究基础
•   2.2. 研究对象
•   2.3. 研究内容
•     2.3.1. 实验设备
•     2.3.2. 实验流程
•   2.4. 数据采集与处理
•   2.5. 统计分析与结果
•     2.5.1. 统计分析
•     2.5.2. 统计分析结果
•   2.6. 讨论与展望
• 第三章 外部偏转力矩对于精准抓握运动的影响
•   3.1. 研究基础
•   3.2. 研究对象
•   3.3. 研究内容
•     3.3.1. 实验设备
•     3.3.2. 实验流程
•   3.4. 数据采集与处理
•   3.5. 统计分析与结果
•   3.6. 讨论与展望
• 第四章 运动视觉引导对于精准抓握运动的影响
•   4.1. 研究基础
•   4.2. 研究对象
•   4.3. 研究内容
•     4.3.1. 研究设备
•     4.3.2. 研究内容
•   4.4. 数据采集与处理
•   4.5. 统计分析与结果
•   4.6. 讨论与展望
• 第五章 总结与展望
•   5.1. 工作总结
•   5.2. 未来展望
• 发表论文情况说明
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 胡文婧

导师: 李可

关键词: 精准抓握,感知运动控制,动力学,手功能,肌肉疲劳,力矩效应,视觉效应

来源: 山东大学

年度: 2019

分类: 基础科学,医药卫生科技

专业: 力学,生物医学工程

单位: 山东大学

分类号: O39;R318.01

总页数: 70

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