传统太极拳典型动作表面肌电测量及特征研究

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传统太极拳因其对亚健康的改善作用而受到越来越多的关注。鉴于太极拳的理论和实践的复杂性特点,需要经过长期训练和感悟才能掌握其内在规律性。因此从科学的角度探究传统太极拳的规律和特征对于太极拳的发展具有重要意义。本研究从肌电测量的角度探索传统太极拳的行拳规律及特征。首先对传统太极拳典型动作的表面肌电信号采集和除噪;进而对表面肌电信号进行特征值分析以及动作识别分析;在根据动作要点对表面肌电信号进行多次细分的基础上,初步设计了基于生物反馈的传统太极拳训练系统。具体研究内容如下:(1)传统太极拳典型动作表面肌电信号的检测研究依据传统太极拳的行拳要领和特点,选择传统太极拳“搂膝拗步”作为测试的典型动作,使用表面肌电测试仪对相关主要肌肉的表面肌电信号进行测量;采集到表面肌电信号后,首先对其进行范围为10~500 Hz的带通滤波,其次选取sym3作为基函数的小波阈值除噪以及窗口平滑处理,最终达到理想的除噪效果。(2)传统太极拳典型动作表面肌电信号的特征分析研究表面肌电信号进行除噪后,从时域、频域、时频域提取特征值,对“搂膝拗步”动作具有代表性的特征进行分析研究;利用主成分分析法对提取到的特征值进行维数约简,提高后续的效率;将“搂膝拗步”的右手运动根据动作要点具体划分为5种动作,利用BP神经网络、LDA分类、决策树方法对相应动作进行了识别和分析;之后将5种动作中的动作1根据动作要点进行了6个阶段的进一步细分,绘出特征曲线,通过对练习者的对比分析,提取太极长期练习者肌电信号的特征规律。(3)基于生物反馈的传统太极拳训练系统研究设计了基于图形用户界面(GUI)传统太极拳生物反馈的训练系统,通过上位机与下位机的通信,将表面肌电信号实时在界面上显示,并对信号提取特征值,绘出特征曲线,按照分析结果对动作进行调整,形成了简单的生物反馈训练。结果表明,长期练习者的行拳表面肌电信号特征与传统太极拳的“虚实变化”、“节节贯穿”的行拳规律相吻合,因而应用传统太极拳的表面肌电信号可以表征传统太极拳的基本规律;长期练习者动作的识别率在90%~96%之间,短期练习者动作的识别率在70%~83%之间,对比发现,长期练习者动作之间的动作特点明显,动作之间的区分度高;长期和短期练习者之间的识别率高于99%,可以通过对动作识别有效区分长期与短期练习者;长期练习者的肌电特征曲线存在相似的趋势,而短期练习者的肌电特征曲线没有规律,可利用长期练习者和短期练习者表面肌电信号特征值之间的差异,通过特征信号的图形化显示,使内形运动训练外显化、直观化,为太极拳的训练进阶提供指导。
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