【摘要】：外骨骼技術(shù)在康復(fù)和助力領(lǐng)域的應(yīng)用日漸突出。依賴外骨骼技術(shù)在年老力衰者、殘障人士遇到意外干擾時(shí)幫助其恢復(fù)姿態(tài)平衡具有十分迫切的需求,涉及諸多關(guān)鍵技術(shù)。其中人體姿態(tài)平衡評(píng)價(jià)方法及外骨骼平衡恢復(fù)控制方法的研究與有機(jī)融合是穿戴者利用外骨骼實(shí)現(xiàn)姿態(tài)平衡恢復(fù)的保證。然而目前仍缺乏一種同時(shí)適用于站立和行走狀態(tài)的人體姿態(tài)平衡評(píng)價(jià)方法,且外骨骼平衡恢復(fù)控制相關(guān)研究較少,為此本文開展了基于線性倒立擺模型(Linear Inverted Pendulum Model,LIPM)的人體姿態(tài)平衡評(píng)價(jià)方法和基于髖部外骨骼的平衡恢復(fù)控制的研究。首先,根據(jù)人體五桿模型進(jìn)行了參數(shù)歸一化,在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)了人體正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。利用IMU元件和足底壓力鞋墊搭建了多傳感器系統(tǒng),利用運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算值與傳感器信息融合實(shí)現(xiàn)了人體質(zhì)心和擺動(dòng)腳的位置和速度的實(shí)時(shí)估計(jì)。然后利用該多傳感器系統(tǒng)進(jìn)行了人體運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)時(shí)估計(jì)的有效性和準(zhǔn)確性,為人體姿態(tài)平衡評(píng)價(jià)和平衡恢復(fù)控制奠定了基礎(chǔ)。其次,研究了不同LIPM預(yù)測(cè)人體質(zhì)心位置和速度的結(jié)果,發(fā)現(xiàn)帶有有限尺寸足的LIPM可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)質(zhì)心位置和速度。而后在捕捉點(diǎn)理論基礎(chǔ)上,提出了姿態(tài)單步平衡的概念,開展人體運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究了捕捉點(diǎn)和擺動(dòng)腳運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與姿態(tài)單步平衡的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)了人體在保持姿態(tài)單步平衡時(shí)的“擺動(dòng)腳追趕捕捉點(diǎn)”的現(xiàn)象�；谠摤F(xiàn)象建立了同時(shí)適用于站立和行走狀態(tài)的人體姿態(tài)平衡評(píng)價(jià)方法,并開展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平衡評(píng)價(jià)方法進(jìn)行姿態(tài)平衡程度評(píng)價(jià)的正確性。然后,根據(jù)人體五桿模型建立了人體動(dòng)力學(xué)方程,進(jìn)行了髖關(guān)節(jié)力矩求解結(jié)果的驗(yàn)證;在此基礎(chǔ)上建立了基于動(dòng)力學(xué)項(xiàng)補(bǔ)償?shù)捏y關(guān)節(jié)助力力矩計(jì)算方法,該方法利用模糊邏輯推理建立了姿態(tài)平衡程度和髖關(guān)節(jié)助力系數(shù)的映射關(guān)系。之后結(jié)合人體姿態(tài)平衡評(píng)價(jià)方法,形成完整的髖部外骨骼平衡恢復(fù)控制架構(gòu),并在Matlab/Simulink中進(jìn)行仿真,初步驗(yàn)證了該平衡恢復(fù)控制方法的可行性。最后,為了驗(yàn)證髖部外骨骼平衡恢復(fù)控制方法的有效性,利用髖部外骨骼樣機(jī),首先通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該髖部外骨骼對(duì)于穿戴者正常運(yùn)動(dòng)的“透明性”。在此基礎(chǔ)上,通過對(duì)穿戴者施加前向和后向的干擾,分別開展了在站立狀態(tài)、行走狀態(tài)下穿戴與不穿戴外骨骼姿態(tài)失衡時(shí)的對(duì)比實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了髖部外骨骼平衡恢復(fù)控制方法對(duì)于幫助穿戴者恢復(fù)姿態(tài)平衡的有效性。
【圖文】：

功能靈活、輕巧便攜的外骨骼實(shí)現(xiàn)穿戴者的平衡恢復(fù)是一項(xiàng)復(fù)學(xué)科領(lǐng)域。人體姿態(tài)的平衡機(jī)制是研究的基礎(chǔ)，人體姿態(tài)平衡骨骼進(jìn)行助力控制的“開關(guān)”，外骨骼的平衡恢復(fù)控制方法是實(shí)手段，以上有機(jī)結(jié)合才能在穿戴者需要的時(shí)候利用外骨骼實(shí)現(xiàn)體姿態(tài)平衡機(jī)制研究現(xiàn)狀身體姿態(tài)平衡是人體最重要的能力之一，吸引了眾多學(xué)者研究者Winter[15]和墨西哥學(xué)者Lee Brown[16]通過研究認(rèn)為主要有3種體姿態(tài)平衡控制：視覺系統(tǒng)在平衡中發(fā)揮著重要作用，主要負(fù)障礙物；前庭系統(tǒng)是人體的“陀螺儀”，能夠非常靈敏地感受頭速度的變化，并據(jù)此來補(bǔ)償頭部和身體的運(yùn)動(dòng)；本體感受器包關(guān)節(jié)感受器，感知身體每個(gè)部位的位置和速度信息，以及身體。中樞神經(jīng)系統(tǒng)(Central nerve system, CNS)融合所得傳感信息判并輸出相應(yīng)指令控制各關(guān)節(jié)肌肉維持姿態(tài)平衡。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文了老人的平衡意識(shí)，，導(dǎo)致老人應(yīng)對(duì)意外干擾的平衡能力降低，跌倒率增加在從生理學(xué)角度探尋人體平衡機(jī)制的同時(shí)，學(xué)者們嘗試從生物力學(xué)的角解人體平衡的原理。Winter 研究了在站立和平地步行過程中人體質(zhì)心(Cenass, CoM)和壓力中心(Center of pressure, CoP)的位置變化關(guān)系，如圖 1-2 所據(jù)此推導(dǎo)出雙足和單足支撐時(shí) CoP 的計(jì)算公式，并用倒立擺模型描述了人持姿態(tài)平衡的原理[15]。Alexandra 等人指出在靜態(tài)平衡時(shí)，只有當(dāng)人體的水平面上的投影處于穩(wěn)定支撐范圍(Base of support, BoS)之內(nèi)時(shí)，人體才能靜態(tài)平衡[20]。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：R496

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 唐志勇;譚振中;裴忠才;;下肢外骨骼機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析與設(shè)計(jì)[J];系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào);2013年06期

2 黃海晶;王志彬;金鴻賓;;助行器的演變與發(fā)展[J];中國矯形外科雜志;2006年18期

3 李鵬虹;76歲老人的平衡功能[J];國外醫(yī)學(xué)(物理醫(yī)學(xué)與康復(fù)學(xué)分冊(cè));1997年03期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 劉靜民;中國成年人人體慣性參數(shù)國家標(biāo)準(zhǔn)的制定[D];北京體育大學(xué);2004年

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1 付俐芳;卡爾曼濾波在組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D];昆明理工大學(xué);2012年

本文編號(hào)：2659714