基于IMU的下肢行走逆动力学建模与助力仿真及实验研究

发布时间：2020-12-06 05:42

　　目前,利用下肢柔性外骨骼设备对人体进行助力,从而降低人们在各种活动中的能量代谢,增强人们的生活水平受到了世界各国的广泛关注。在人体助力时其理论依据是人体正常行走时下肢关节力矩曲线。然而,由于缺乏准确、高效、便捷的实时解算人体下肢关节力矩的方法,目前的助力研究中只能以基于统计学规律的下肢关节力矩曲线对人体进行助力,该问题严重限制了助力效果。首先,人体运动信息是解算人体关节力矩的基础,针对实时、有效、经济便捷地测量人体运动信息难的问题,本文建立了基于惯性测量单元（IMU）的人体行走运动模型,解算了人体行走时的运动信息。该模型在分析了人体运动特征和IMU信号特征的基础上,构建了IMU与人体下肢关节间的运动约束方程,并基于最优化算法解算了IMU与人体肢体段间的方位关系,使得IMU可以与肢体段间自动对齐,避免了传统方法的繁琐操作。在此基础上,本文分别基于加速度和角速度信息解算了相关运动信息,并结合数据融合算法将其优化,解算出了更为准确的运动信息。模型的精度和稳定性结合光学动作捕捉系统进行了验证。其次,在解算运动信息之后,本文建立了基于IMU的人体行走逆动力学模型。该模型将人体主体运动简化到矢状面... 

【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：101 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

MIT被动式助力研究2011年，荷兰代尔夫特理工大学开发了一种带有人工肌腱的被动外骨骼对人

图 1-2 荷兰代尔夫特理工大学被动式外助力研的王东海等人研发了基于行走步态的被动式体关节的载荷[5]，如图 1-3 所示。研究人员发了一种能够匹配膝关节生理结构的柔性运动产生形变，更好地适应人体的运动特征负载。然而，该研究并没有实验结果表明该图 1-3 浙江大学被动式膝关节外骨骼研究

人工肌腱）依然普遍偏高。 图 1-2 荷兰代尔夫特理工大学被动式外助力研究 浙江大学的王东海等人研发了基于行走步态的被动式膝关节来减小人体关节的载荷[5]，如图 1-3 所示。研究人员详细分析动特点，研发了一种能够匹配膝关节生理结构的柔性膝关节装使用者的运动产生形变，更好地适应人体的运动特征，从而在膝关节的负载。然而，该研究并没有实验结果表明该结构能够

【参考文献】：
期刊论文
[1]外骨骼机器人系统中人体下肢关节力矩动态解算[J]. 郭伟,杨丛为,邓静,查富生.  机械与电子. 2015(10)
[2]一种踝关节行走助力外骨骼的设计[J]. 向馗,易畅,尹凯阳,葛运建.  华中科技大学学报(自然科学版). 2015(S1)
[3]一种减重步行训练机器人的研制[J]. 陈鹍,刘启栋,王人成,贾晓红,胡伟.  中国康复医学杂志. 2011(09)
[4]人体运动轴模型的制作[J]. 潘若松,周美娟.  生物学通报. 1988(05)

博士论文
[1]下肢外骨骼的动力学分析与运动规划[D]. 贾山.东南大学 2016
[2]基于行走步态的被动式重力支撑柔性下肢外骨骼系统[D]. 王东海.浙江大学 2016
[3]混联下肢外骨骼的步态规划与控制研究[D]. 潘大雷.上海交通大学 2015
[4]基于外骨骼机器人技术的人体手臂震颤抑制关键技术研究[D]. 孙建.中国科学技术大学 2010
[5]中国成年人人体惯性参数国家标准的制定[D]. 刘静民.北京体育大学 2004

硕士论文
[1]穿戴式下肢外骨骼的设计及研究[D]. 刘宏林.北京交通大学 2017
[2]可穿戴下肢柔性外骨骼助力系统设计[D]. 万诗龙.东南大学 2017
[3]下肢外骨骼康复机器人助力模式控制策略研究[D]. 张元春.河北工业大学 2014
[4]基于惯性传感器的人体运动姿态三维重构[D]. 蹇彪.哈尔滨工程大学 2013
[5]基于肌电信号控制的康复医疗下肢外骨骼设计及研究[D]. 费烨赟.浙江大学 2006



本文编号：2900833