基于LIPM的人体平衡评价方法和外骨骼平衡恢复控制研究

发布时间：2020-05-12 05:12

【摘要】：外骨骼技术在康复和助力领域的应用日渐突出。依赖外骨骼技术在年老力衰者、残障人士遇到意外干扰时帮助其恢复姿态平衡具有十分迫切的需求,涉及诸多关键技术。其中人体姿态平衡评价方法及外骨骼平衡恢复控制方法的研究与有机融合是穿戴者利用外骨骼实现姿态平衡恢复的保证。然而目前仍缺乏一种同时适用于站立和行走状态的人体姿态平衡评价方法,且外骨骼平衡恢复控制相关研究较少,为此本文开展了基于线性倒立摆模型(Linear Inverted Pendulum Model,LIPM)的人体姿态平衡评价方法和基于髋部外骨骼的平衡恢复控制的研究。首先,根据人体五杆模型进行了参数归一化,在此基础上推导了人体正运动学方程。利用IMU元件和足底压力鞋垫搭建了多传感器系统,利用运动学计算值与传感器信息融合实现了人体质心和摆动脚的位置和速度的实时估计。然后利用该多传感器系统进行了人体运动实验,验证了人体运动状态实时估计的有效性和准确性,为人体姿态平衡评价和平衡恢复控制奠定了基础。其次,研究了不同LIPM预测人体质心位置和速度的结果,发现带有有限尺寸足的LIPM可以较准确地预测质心位置和速度。而后在捕捉点理论基础上,提出了姿态单步平衡的概念,开展人体运动实验研究了捕捉点和摆动脚运动状态与姿态单步平衡的关系,发现了人体在保持姿态单步平衡时的“摆动脚追赶捕捉点”的现象。基于该现象建立了同时适用于站立和行走状态的人体姿态平衡评价方法,并开展实验验证平衡评价方法进行姿态平衡程度评价的正确性。然后,根据人体五杆模型建立了人体动力学方程,进行了髋关节力矩求解结果的验证;在此基础上建立了基于动力学项补偿的髋关节助力力矩计算方法,该方法利用模糊逻辑推理建立了姿态平衡程度和髋关节助力系数的映射关系。之后结合人体姿态平衡评价方法,形成完整的髋部外骨骼平衡恢复控制架构,并在Matlab/Simulink中进行仿真,初步验证了该平衡恢复控制方法的可行性。最后,为了验证髋部外骨骼平衡恢复控制方法的有效性,利用髋部外骨骼样机,首先通过实验验证了该髋部外骨骼对于穿戴者正常运动的“透明性”。在此基础上,通过对穿戴者施加前向和后向的干扰,分别开展了在站立状态、行走状态下穿戴与不穿戴外骨骼姿态失衡时的对比实验,验证了髋部外骨骼平衡恢复控制方法对于帮助穿戴者恢复姿态平衡的有效性。
【图文】：

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功能灵活、轻巧便携的外骨骼实现穿戴者的平衡恢复是一项复学科领域。人体姿态的平衡机制是研究的基础，人体姿态平衡骨骼进行助力控制的“开关”，外骨骼的平衡恢复控制方法是实手段，以上有机结合才能在穿戴者需要的时候利用外骨骼实现体姿态平衡机制研究现状身体姿态平衡是人体最重要的能力之一，吸引了众多学者研究者Winter[15]和墨西哥学者Lee Brown[16]通过研究认为主要有3种体姿态平衡控制：视觉系统在平衡中发挥着重要作用，主要负障碍物；前庭系统是人体的“陀螺仪”，能够非常灵敏地感受头速度的变化，并据此来补偿头部和身体的运动；本体感受器包关节感受器，感知身体每个部位的位置和速度信息，以及身体。中枢神经系统(Central nerve system, CNS)融合所得传感信息判并输出相应指令控制各关节肌肉维持姿态平衡。

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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文了老人的平衡意识，，导致老人应对意外干扰的平衡能力降低，跌倒率增加在从生理学角度探寻人体平衡机制的同时，学者们尝试从生物力学的角解人体平衡的原理。Winter 研究了在站立和平地步行过程中人体质心(Cenass, CoM)和压力中心(Center of pressure, CoP)的位置变化关系，如图 1-2 所据此推导出双足和单足支撑时 CoP 的计算公式，并用倒立摆模型描述了人持姿态平衡的原理[15]。Alexandra 等人指出在静态平衡时，只有当人体的水平面上的投影处于稳定支撑范围(Base of support, BoS)之内时，人体才能静态平衡[20]。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R496

【参考文献】