人体下肢运动力学分析与建模

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杭州电子科技大学硕士学位论文
ABSTRACT
To improve the living quality and welfare benefits of amputees, researches have been made on lower limb prostheses, which is also an attentive research project in the fields of robotics and biomedical engineering. Intelligent lower limb prosthesis control the prosthetic movement by detecting the movement state of the wearer, thereby enhancing the flexibility of gait, coordination and security. As to the research progress, the level of domestic research has lagged behind developed countries in Europe and America, However, there are a good number of people with disabilities on lower limbs, Therefore, to provide high-performance and low-cost prosthetic devices for the disabled is the important task. The analysis and modeling of human lower limb is an important content of study of the prosthesis, The article closely around the National Natural Science Foundation-funded project (60705010) ,mainly doing the following areas: Human lower limb biomechanics information retrieval system is established, surface electrodes are used to obtain lower limb movement EMG; multi-axis acceleration sensor is used to detect the inclination of the thigh and calf, access to physical gestures as well as the knee angle and angular velocity; the plantar pressure sensor is used to detect Inter-contact state and force and other information between the foot and the ground. According to the human body structure and movement mechanics analysis, to make the mathematical model of human lower limb movement, As to the advantages and disadvantages of dynamic modeling method in the commonly used, including Lagrangian method, Newton-Euler law, Lagrangian modeling method is chosen, from the view of the system energy to build a dynamic model of human lower limb, and also dynamic analysis to gain the joint torques. Based on Matlab / SimMechanics simulation toolbox, to make the human lower limb motor system model, select flat walk, uphill and on the ladder three different sports modes, each sports mode is divided into swing phase and support phase two stages, the establishment of the corresponding model, angular, angular velocity, angular acceleration as input, a variety of hip, knee torque are gained as simulation of models. In the plains walking mode, the comparison of the torque derived from Lagrangian method solving equation and the torque derived from modeling and simulation Matlab /SimMechanics, they are similar, that establishment the reasonable
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第1章
1.1 课题背景及研究意义
绪论
从古至今，因为战争、工伤、疾病、交通事故和意外伤害等原因而产生的下 肢截肢者随着工业、交通的迅速发展而迅速增加。一项调查显示仅美国每年就大 约有 11 万人失去下肢，而我国目前下肢残疾者更是高达 600 万人，其中下肢截肢 者约 137 万多人[1]。这些下肢截肢者由于失去了人类最基本的功能之一——行走， 生活难以自理，被安置在一些脱离社会的特定角落，致使他们在身体心理都充满 着常人无法体会的痛苦。但是现在医疗水平还不能使肢体再生，为这些截肢者安 装人工假肢就成了恢复其一些日常活动的唯一手段。 随着科学的进步，人们生活水平的提高，不仅要求假肢要具有很好的装饰性， 而且对其运动性能的要求也越来越高。智能下肢假肢通过检测穿戴者的运动状态， 来控制假肢运动，从而提高步态的灵活性、协调性和安全性。现代运动生物力学 对人体腿部运动信息的采集与分析在机器人和假肢研究方面有着重大的作用。 二十世纪中期以来，把生物力学同体育科学理论研究相结合条件日趋成熟， 运动生物力学逐渐形成为了一门独立的学科。运动生物力学研究的内容是人体运 动中的机械运动规律，以生物学和力学的理论、方法研究人体从事各种活动、运 动和劳动的动作技术，使复杂的人体动作技术奠基于最基本的生物学和力学规律 之上，并以数学、力学、生物学以及动作技术原理的形式加以定量描述。ห้องสมุดไป่ตู้着计 算机、传感器、测速器、高速摄影、测力台和电子解析系统技术的应用，使准确 地测量与分析人体运动的参数成为现实，科学技术的发展为运动生物力学的研究 奠定了坚实的物质基础，而生物学、力学理论的发展与完善则为它建立了坚实的 理论基础。人体运动、活动和劳动中的各种动作技术，可以通过生物力学方法进 行测试研究，提高动作技术效率，提高运动技术水平[2]。 本论文依据获取的下肢的运动力学信息，通过建立人体下肢动力学模型和进 行运动力学分析，研究表面肌电信号与运动参数，关节力矩相互之间的关系，从 而对下肢运动进行建模。为深入地研究假肢的设计和控制建立基础，使假肢的运 动自然协调，快速灵活。为国内下肢假肢事业的发展打下基础，缩小和国外智能 假肢发展水平的差距，改善残疾人的生活质量，提高他们的社会活动参与能力， 促进社会的和谐发展，对康复医学也具有重要的意义。
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of the model. The mathematical statistical methods are used for analysis of lower limb movement parameters, first EMG signal de-noised by the new threshold de-noising method, with the feature vector extracted by average method, the relationship between surface EMG and joint torque are analyzed, we found joint torque and surface EMG are approximate linear relationship, on this basis, expressing joint torque and surface relation. Using regression analysis polynomial fitting method to find the relationship between torque and time in a variety of exercise modes for the lower limb, all of these providing experimental and theoretical basis to the study of human lower limb control method. Keywords：Sports biomechanics, dynamics, joint torque, SimMechanic modeling, regression analysis
杭州电子科技大学 硕士学位论文 人体下肢运动力学分析与建模 姓名：洪晓明 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：叶明 20091201
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摘要
研制下肢假肢是为了改善残疾人的生活质量和促进医疗福利事业的发展， 同 时智能假肢也是机器人学和生物医学工程领域深受关注的研究方向。 智能下肢假 肢通过检测穿戴者的运动状态来控制假肢运动，从而提高步态的灵活性、协调性 和安全性。我国下肢残疾者人数众多，国内在智能下肢假肢的研究水平上也明显 落后于欧美发达国家，因此为肢体残疾人提供性能优良、价格低廉的假肢器械是 残疾人事业发展的重要任务。 人体下肢运动分析和建模是研究假肢的重要内容， 本文紧密围绕国家自然科 学基金资助项目“膝上假肢的运动力学信息获取与多运动模式控制方法研究 （60705010） ” ，主要做了以下几个方面的工作： 建立人体下肢运动生物力学信息获取系统， 利用表面电极获取下肢运动肌电 信号；利用多轴加速度传感器来检测大腿和小腿的倾角，获取肢体的姿态以及膝 关节角度和角速度； 下肢的脚与地面之间接触状态和作用力等信息采用足底安装 压力传感器的方式检测。 根据人体的结构和运动学的分析，建立人体下肢运动数学模型。比较动力学 建模中通常采用的拉格朗日法、牛顿-欧拉法等的优缺点，选用拉格朗日建模方 法，从系统能量角度出发构建人体下肢的动力学模型，并进行动力学分析，得到 关节力矩。 基于 Matlab/SimMechanics 仿真工具箱人体下肢运动系统建模，选取了平地 行走、上坡、上阶梯三种不同的运动模式，每种运动模式下分为摆动期和支撑期 两个阶段，建立相应的模型，以各关节的角位移、角速度、角加速度为输入，仿 真得到各种运动模式下髋关节和膝关节力矩。在平地行走模式下，将求解拉格朗 日方程所得到的关节力矩与 Matlab/SimMechanics 建模仿真所得的力矩进行比 较，两者基本吻合，证明了建立的模型比较合理。 运用数学统计方法对下肢运动参数进行分析， 首先应用新阈值消噪方法对肌 电信号进行消噪处理，用平均值法提取特征向量，利用回归分析的方法研究表面 肌电信号与关节力矩之间的关系，通过数据分析，表明关节力矩与表面肌电信号 近似成线性关系，在此基础上得出了关节力矩与表面肌电信号的表达式。运用回 归分析中多项式拟合方法对力矩与时间的关系进行建模， 得出了各种运动模式下 关节力矩与时间的关系，为下肢假肢的控制方法研究提供了实验与理论的依据。 关键词：运动生物力学，动力学，关节力矩，SimMechanic 建模，回归分析
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原创性声明
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