外骨骼機(jī)器人是延伸、增強(qiáng)人體運(yùn)動(dòng)能力的一種重要手段,但是外骨骼機(jī)器人的平衡性以及與人本體之間的人機(jī)交互,尤其是如何實(shí)現(xiàn)外骨骼與人體自身運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)是外骨骼運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。本研究針對(duì)基于人機(jī)接口的下肢外骨骼平衡與運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)問(wèn)題,開(kāi)展了人體下肢姿態(tài)及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)預(yù)測(cè)方法的研究。本文的研究?jī)?nèi)容主要包括:第一、基于站立時(shí)足底壓力中心的波動(dòng)變化,通過(guò)設(shè)計(jì)斜面、睜閉眼、時(shí)間三個(gè)實(shí)驗(yàn)變量因素,統(tǒng)計(jì)分析人體在靜態(tài)站立下的平衡控制策略,揭示了足底壓力中心在各變量因素變化下的部分規(guī)律,并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了單因素方差分析,驗(yàn)證其是否存在顯著差異性。第二、基于下肢肌肉群表面肌電信號(hào),通過(guò)支持向量機(jī)對(duì)肌電-運(yùn)動(dòng)的映射關(guān)系進(jìn)行訓(xùn)練,對(duì)下肢運(yùn)動(dòng)步態(tài)分類以及下肢髖、膝和踝三個(gè)關(guān)節(jié)矢狀面內(nèi)的連續(xù)運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)。由十位健康受試者的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)和統(tǒng)計(jì)分析可得出,適速行走下步態(tài)二分類的平均分類準(zhǔn)確率最高,且適速行走下膝關(guān)節(jié)在不同運(yùn)動(dòng)模式下的連續(xù)運(yùn)動(dòng)精度最高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,基于肌電信號(hào)進(jìn)行下肢運(yùn)動(dòng)步態(tài)分類和多關(guān)節(jié)連續(xù)運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)是可行的。第三、為了驗(yàn)證下肢關(guān)節(jié)連續(xù)運(yùn)動(dòng)估計(jì)的工程實(shí)用價(jià)值,讓受試者在跑步機(jī)上適速行走進(jìn)行在線預(yù)測(cè)實(shí)... 

【文章來(lái)源】：華中科技大學(xué)湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁(yè)數(shù)】：70 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

哈佛大學(xué)外骨骼在恢復(fù)站立及運(yùn)動(dòng)功能的研究中，下肢外骨骼以及人體假肢是當(dāng)前比較熱門的

肢肢體殘疾人，也可以應(yīng)用于軍人及一些戶外探險(xiǎn)的正常人身體上（如圖 1-1），達(dá)到增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)能力，負(fù)重減能，提升支撐強(qiáng)度，達(dá)到適應(yīng)野外高負(fù)荷行動(dòng)的目的[3]。而要想對(duì)下肢外骨骼以及人體假肢進(jìn)行深入研究必須先對(duì)人體的站立及運(yùn)動(dòng)有一個(gè)很清晰的認(rèn)知[4]，只有對(duì)人體的下肢有一個(gè)很好的認(rèn)知，我們才能使其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加擬人化，與人體更加完美的結(jié)合。目前對(duì)人體站立及運(yùn)動(dòng)的研究很多都是對(duì)人體站立平衡的研究[5]以及對(duì)人體的運(yùn)動(dòng)意圖的解碼[6]。其中對(duì)于人體站立平衡研究多是基于人體壓力中心（Center ofpressure，COP）或者人體重心（Center of mass，COM）的分析統(tǒng)計(jì)；而相對(duì)于人體站立平衡的研究，對(duì)于人體運(yùn)動(dòng)意圖的解碼就要復(fù)雜很多，一般人體的運(yùn)動(dòng)意圖包含了人體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)模式、關(guān)節(jié)角度、角速度、角加速度、剛度、空間位置、運(yùn)動(dòng)方向等，而對(duì)這些運(yùn)動(dòng)意圖可以通過(guò)腦電（Electroencephalogram，EEG）、肌電（Electromyography，EMG）、眼球焦點(diǎn)、力傳感器、角度傳感器/Vicon 等形式直接或間接獲得[7]。因此，人體下肢站立及運(yùn)動(dòng)的研究框架中的一部分可以歸納為如圖 1-2 所示。

對(duì)于 COP 在不同的視覺(jué)信息下，所產(chǎn)生的 COP 位置關(guān)系并沒(méi)有很多的研究。人體靜平衡是由本體感覺(jué)、前庭系統(tǒng)以及視覺(jué)輔助三大感覺(jué)器官調(diào)控實(shí)現(xiàn)[20]，睜閉眼只是改變視覺(jué)輔助條件，還有很多改變本體感覺(jué)條件來(lái)研究人體靜止站立平衡，其中重要的一項(xiàng)是斜面站立。研究表明在 10°到 15°的斜面上，COP 的波動(dòng)是最不穩(wěn)定的，文獻(xiàn)[21]分別在向上站立，向下站立，側(cè)向站立三種站立方式下進(jìn)行試驗(yàn)，主要從頻譜的角度去分析了 14°斜面條件下平衡姿態(tài)的控制。文獻(xiàn)[22]研究了疲勞對(duì)斜面站立的影響，如圖 1-3 所示設(shè)計(jì)了 0°、18°、26°三種角度下，向上、向下、側(cè)向三種不同站立方式的實(shí)驗(yàn)，分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)疲勞對(duì)斜面站立有一定的影響，而且斜面度數(shù)越高，COP 越不穩(wěn)定，此外，該文章提出把平面測(cè)量的 COP 轉(zhuǎn)化到斜面上運(yùn)算的新思路。文獻(xiàn)[23]研究了 0°、10°、20°三種角度下短暫姿態(tài)穩(wěn)定的控制方式，并且提到了密度函數(shù)處理，研究表明在 20°斜面和 0°、10°兩種角度斜面的調(diào)整結(jié)果不一致。對(duì)于用斜面角度變化來(lái)改變?nèi)梭w本體感覺(jué)的研究，不同的側(cè)重點(diǎn)所得到的結(jié)論也不大相同，斜面站立對(duì) COP 的位置關(guān)系的影響，仍然需要研究人員進(jìn)一步探究。

【參考文獻(xiàn)】：
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碩士論文
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本文編號(hào)：3076390