指力信号检测及其波动性的分析

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1、中文摘要摘要手指的力量是反映手指协同动作，评价手部运动机能的重要参数。指力信号的波动性不仅仅被认为是感觉运动区噪声幅度大小的直接反应，而且还关联着更高层的神经控制机制。本文通过分析各个手指在不同任务模式下的指力信号变异性特征，研究各手指运动学的变化规律，为进一步了解运动神经系统调控机制提供参考，并在神经生理学和运动机能学领域有重要的学术价值和应用意义。本文首先设计了基于FSR(forcesensorresistor)压力敏感片的指力检测装置用于指力实验，利用聚碳酸酯材料设计了将指力转换为FSR电阻改变的机械装置。其次，设计了指力检测实验系统，通过恒流源电路将FSR阻抗变化转换为电压信号，

2、以USB6008和Labview实现了数据的实时采集和显示，并对传感器装置进行了静态标定和动态特性测试。然后在该系统上分别进行单个手指2N、4N、6N、8N按压动作的实验；双指(食指、中指)合力为10%、20%、30%最大随意收缩力量(maximumvoluntarycontraction，MVC)时，两指自然分配力量比例的实验；食指、中指、双指(食指、中指)为各自最大随意收缩力量的10%、20%、30%的单指、多指实验，采集实验过程中的各个手指的指力信息，计算指力信号时域中的均方根误差(RMSE)、标准偏差(SD)、变异系数(CV)；频域结构中的的近似熵(ApEn)、非趋势波动分析(D

3、FA)。比较食指、中指在不同的任务模式下的指力信号变异性特征，以及手指协调作用对于指力信号变异性的影响。对上述三个实验采集到的指力信号进行分析，得到以下一些结果：(1).标准偏差、均方根误差、近似熵随着力量水平的增加而增大；(2).CV随力量变化没有呈现出显著的变化趋势；(3).DFA指数指标α随力量变化没有呈现出显著的变化趋势。α的值在1.5附近变化，表明指力信号序列是一个布朗运动过程，对应布朗噪声；(4).在同等相对力量水平下单指和双指力量信号波动特征分析实验中，在相对力量水平为30%MVC时，双指合力的标准偏差和均方根误差小于中指、食指，近似熵略大于中指、食指。实验结果表明，在同一

4、任务模式下，食指指力信号与中指相比具有更小的变异系数，能够更准确的完成目标力量任务，并且验证了手指间协调作用可以降低指力信号的变异系数，相对于单指，双指可以更加灵活准确的调节力量幅度。关键词：指力，变异，协同作用I英文摘要ABSTRACTFingerforceandmotioncouldreflectfingersynergeticmotion,andbeusedasparameterstoevaluatehandmovementfunction.Someresearchertentativelysuggestthatthedegreeoffingerforcevariabilityha

5、sbeennotonlyconsideredareflectionofthedegreeofnoiseintheinvolvedsensori-motorsystem,butalsomaybeoriginatesatanupperlevelofthecontrolhierarchy.Thepurposeofthispaperwastostudythevariationoffingerkinematicbyanalyzingeachfinger’sforcevariabilityatdifferenttasks.Theresultofthisresearchcouldnotonlyhelp

6、tofurtherunderstandingonthemechanismsofmotorcontrolsystem,butalsohasbothacademicandappliedsignificanceinthefieldofneurophysiologyandkinesiology.FirstwedesignedaFSR-basedfingerforcedetectionapparatus.Acustom-madepolycarbonatesubstratewasusedtotransferfingerforcetothedeformationofFSRcellmechanicall

7、y,andaconstant-currentsourcecircuitwasadoptedtotransducertheresistancechangesofFSRintovoltagesignal.USB6008interfacecardandLabVIEWwerecombinedtoacquireanddisplaythedigitizedfingerforcesignalinreal-time.Theapparatuswast