【摘要】：外骨骼技術在康復和助力領域的應用日漸突出。依賴外骨骼技術在年老力衰者、殘障人士遇到意外干擾時幫助其恢復姿態(tài)平衡具有十分迫切的需求,涉及諸多關鍵技術。其中人體姿態(tài)平衡評價方法及外骨骼平衡恢復控制方法的研究與有機融合是穿戴者利用外骨骼實現(xiàn)姿態(tài)平衡恢復的保證。然而目前仍缺乏一種同時適用于站立和行走狀態(tài)的人體姿態(tài)平衡評價方法,且外骨骼平衡恢復控制相關研究較少,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)平衡評價方法和基于髖部外骨骼的平衡恢復控制的研究。首先,根據(jù)人體五桿模型進行了參數(shù)歸一化,在此基礎上推導了人體正運動學方程。利用IMU元件和足底壓力鞋墊搭建了多傳感器系統(tǒng),利用運動學計算值與傳感器信息融合實現(xiàn)了人體質(zhì)心和擺動腳的位置和速度的實時估計。然后利用該多傳感器系統(tǒng)進行了人體運動實驗,驗證了人體運動狀態(tài)實時估計的有效性和準確性,為人體姿態(tài)平衡評價和平衡恢復控制奠定了基礎。其次,研究了不同LIPM預測人體質(zhì)心位置和速度的結果,發(fā)現(xiàn)帶有有限尺寸足的LIPM可以較準確地預測質(zhì)心位置和速度。而后在捕捉點理論基礎上,提出了姿態(tài)單步平衡的概念,開展人體運動實驗研究了捕捉點和擺動腳運動狀態(tài)與姿態(tài)單步平衡的關系,發(fā)現(xiàn)了人體在保持姿態(tài)單步平衡時的“擺動腳追趕捕捉點”的現(xiàn)象�；谠摤F(xiàn)象建立了同時適用于站立和行走狀態(tài)的人體姿態(tài)平衡評價方法,并開展實驗驗證平衡評價方法進行姿態(tài)平衡程度評價的正確性。然后,根據(jù)人體五桿模型建立了人體動力學方程,進行了髖關節(jié)力矩求解結果的驗證;在此基礎上建立了基于動力學項補償?shù)捏y關節(jié)助力力矩計算方法,該方法利用模糊邏輯推理建立了姿態(tài)平衡程度和髖關節(jié)助力系數(shù)的映射關系。之后結合人體姿態(tài)平衡評價方法,形成完整的髖部外骨骼平衡恢復控制架構,并在Matlab/Simulink中進行仿真,初步驗證了該平衡恢復控制方法的可行性。最后,為了驗證髖部外骨骼平衡恢復控制方法的有效性,利用髖部外骨骼樣機,首先通過實驗驗證了該髖部外骨骼對于穿戴者正常運動的“透明性”。在此基礎上,通過對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)失衡時的對比實驗,驗證了髖部外骨骼平衡恢復控制方法對于幫助穿戴者恢復姿態(tài)平衡的有效性。
【圖文】：

功能靈活、輕巧便攜的外骨骼實現(xiàn)穿戴者的平衡恢復是一項復學科領域。人體姿態(tài)的平衡機制是研究的基礎，人體姿態(tài)平衡骨骼進行助力控制的“開關”，外骨骼的平衡恢復控制方法是實手段，以上有機結合才能在穿戴者需要的時候利用外骨骼實現(xiàn)體姿態(tài)平衡機制研究現(xiàn)狀身體姿態(tài)平衡是人體最重要的能力之一，吸引了眾多學者研究者Winter[15]和墨西哥學者Lee Brown[16]通過研究認為主要有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)此來補償頭部和身體的運動；本體感受器包關節(jié)感受器，感知身體每個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指令控制各關節(jié)肌肉維持姿態(tài)平衡。

哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文了老人的平衡意識，，導致老人應對意外干擾的平衡能力降低，跌倒率增加在從生理學角度探尋人體平衡機制的同時，學者們嘗試從生物力學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)的位置變化關系，如圖 1-2 所據(jù)此推導出雙足和單足支撐時 CoP 的計算公式，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，只有當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，人體才能靜態(tài)平衡[20]。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：R496

【參考文獻】

相關期刊論文 前3條

1 唐志勇;譚振中;裴忠才;;下肢外骨骼機器人動力學分析與設計[J];系統(tǒng)仿真學報;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(物理醫(yī)學與康復學分冊);1997年03期

相關博士學位論文 前1條

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

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

本文編號：2659714