基于MATLAB的老年人下肢活动仿真研究

发布时间：2017-09-09 16:07

  本文关键词：基于MATLAB的老年人下肢活动仿真研究

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【摘要】：考虑到老年人身体机能的衰退比较严重,70岁的人体机能只有30岁时的一半,所以老年人的运动问题就显得尤为的突出。通过国内外的研究人员对人体运动的研究发现生活中的绝大多数运动都需要腿部的参与,因此对老年人的下肢活动的研究是一个非常有意义的课题。老年人下肢活动的运动参数的获取是通过安放在大腿根部的加速度传感器、放置于膝关节的柔性传感器和置于脚底的压力传感器。加速度传感器和柔性传感器可以测量到髋关节和膝关节的运动角度,从而可以得到老年人下肢运动的角度、角速度和角加速度等运动参数;压力传感器则可以测量到下肢运动过程中足底与地面的相互作用力。根据老年人的活动特征和人体结构对下肢进行数学建模。通过对常用建模方法的比较和本课题的要求,最终选择拉格朗日法对下肢进行动力学建模。再运用SimMechanics软件对老年人的下肢进行仿真建模。由于人体足部的质量远远小于其他肢体的质量,所以在建模时忽略了脚踝的转动,将单侧下肢简化为一个2刚体模型。由于人体的传统步态周期被划分为支撑相和摆动相两个部分,在支撑相部分则需要考虑人体足底与地面间的相互作用力,在摆动相部分因为人体足底与地面不发生接触不需要考虑足底与地面的相互作用力,所以针对支撑相和摆动相分别建立仿真模型。将下肢的运动参数输入软件建立的仿真模型中,输出关节力矩。再将输出的关节力矩与数学模型计算的关节力矩进行比较,两者大致吻合,验证了所建仿真模型的合理性。最后运用回归分析法对老年人活动时的关节力矩和时间进行建模,求解出关节力矩与时间的表达关系式。软件的仿真模型和关节力矩与时间的数学模型都为老年人的下肢活动研究提供了有利的实验数据。
【关键词】：老年人下肢 动力学建模 Sim Mechanics建模 回归分析建模
【学位授予单位】：武汉纺织大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP391.9;O212.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-18
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-15
• 1.2.1. 运动生物力学的国内外发展现状11
• 1.2.2. 人体模型的国内外研究现状11-15
• 1.3 人体运动仿真的意义15-16
• 1.4 本论文主要研究内容16-18
• 2 人体运动信息18-30
• 2.1 获取人体运动信息18-19
• 2.2 人腿运动步态研究19-23
• 2.2.1 步态周期的划分19-21
• 2.2.2 人体下肢运动的步态参数21-23
• 2.3 人体运动参数的测量23-29
• 2.3.1 关节角度的测量23-28
• 2.3.2 足底压力测量28-29
• 2.4 本章小结29-30
• 3 人体下肢运动学和动力学模型的建立30-42
• 3.1 引言30
• 3.2 人体下肢运动学模型30-33
• 3.2.1 正运动学问题分析31-33
• 3.2.2 逆运动学问题分析33
• 3.3 人体下肢的动力学模型33-41
• 3.3.1 动力学建模方法34-37
• 3.3.2 动力学建模37-41
• 3.4 本章小结41-42
• 4 基于Matlab的老年人下肢运动仿真分析42-54
• 4.1 多刚体动力学建模软件的介绍及选择42-44
• 4.2 老年人下肢运动的建模仿真44-48
• 4.2.1 SimMechanics简介44-45
• 4.2.2 下肢模型的结构与组成部分45
• 4.2.3 基于SimMechancis下肢模型构造45-46
• 4.2.4 老年人下肢模型相关参数的计算与配置46-48
• 4.3 老年人的下肢运动模型48-52
• 4.3.1 摆动期的老年人下肢建模仿真48-50
• 4.3.2 支撑期的老年人下肢建模仿真50-52
• 4.4 模型输出结果与数学模型计算结果的比较分析52-53
• 4.5 本章小结53-54
• 5 老年人下肢运动参数分析54-60
• 5.1 随机变量与确定变量的分析方法54
• 5.1.1 回归分析法54
• 5.1.2 相关分析法54
• 5.1.3 神经网络分析法54
• 5.2 多元线性回归模型的建立54-56
• 5.2.1 建立回归分析模型的基本原理与步骤54-55
• 5.2.2 线性回归方程的建立55-56
• 5.3 实验结果分析56-59
• 5.4 本章小结59-60
• 6 人体表面肌电信号的介绍60-69
• 6.1 表面肌电信号的产生原理和分析60-65
• 6.1.1 表面肌电信号的产生原理60-62
• 6.1.2 表面肌电信号和噪声分析62-63
• 6.1.3 表面肌电信号噪声处理方法63-65
• 6.2 表面肌电信号的处理65-68
• 6.2.1 小波去噪的基本原理65-67
• 6.2.2 阈值函数67
• 6.2.3 阈值函数的改进67-68
• 6.3 本章小结68-69
• 7 总结与展望69-71
• 7.1 本课题的工作总结69
• 7.2 展望69-71
• 参考文献71-76
• 附录76-77
• 致谢77

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本文编号：821412