人体下肢运动力学分析与建模

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杭州电子科技大学硕士学位论文I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，回归分析杭州电子科技大学硕士学位论文IIABSTRACTToimprovethelivingqualityandwelfarebenefitsofamputees,researcheshavebeenmadeonlowerlimbprostheses,whichisalsoanattentiveresearchprojectinthefieldsofroboticsandbiomedicalengineering.Intelligentlowerlimbprosthesiscontroltheprostheticmovementbydetectingthemovementstateofthewearer,therebyenhancingtheflexibilityofgait,coordinationandsecurity.Astotheresearchprogress,thelevelofdomesticresearchhaslaggedbehinddevelopedcountriesinEuropeandAmerica,However,thereareagoodnumberofpeoplewithdisabilitiesonlowerlimbs,Therefore,toprovidehigh-performanceandlow-costprostheticdevicesforthedisabledistheimportanttask.Theanalysisandmodelingofhumanlowerlimbisanimportantcontentofstudyoftheprosthesis,ThearticlecloselyaroundtheNationalNaturalScienceFoundation-fundedproject(60705010),mainlydoingthefollowingareas:Humanlowerlimbbiomechanicsinformationretrievalsystemisestablished,surfaceelectrodesareusedtoobtainlowerlimbmovementEMG;multi-axisaccelerationsensorisusedtodetecttheinclinationofthethighandcalf,accesstophysicalgesturesaswellasthekneeangleandangularvelocity;theplantarpressuresensorisusedtodetectInter-contactstateandforceandotherinformationbetweenthefootandtheground.Accordingtothehumanbodystructureandmovementmechanicsanalysis,tomakethemathematicalmodelofhumanlowerlimbmovement,Astotheadvantagesanddisadvantagesofdynamicmodelingmethodinthecommonlyused,includingLagrangianmethod,Newton-Eulerlaw,Lagrangianmodelingmethodischosen,fromtheviewofthesystemenergytobuildadynamicmodelofhumanlowerlimb,andalsodynamicanalysistogainthejointtorques.BasedonMatlab/SimMechanicssimulationtoolbox,tomakethehumanlowerlimbmotorsystemmodel,selectflatwalk,uphillandontheladderthreedifferentsportsmodes,eachsportsmodeisdividedintoswingphaseandsupportphasetwostages,theestablishmentofthecorrespondingmodel,angular,angularvelocity,angularaccelerationasinput,avarietyofhip,kneetorquearegainedassimulationofmodels.Intheplainswalkingmode,thecomparisonofthetorquederivedfromLagrangianmethodsolvingequationandthetorquederivedfrommodelingandsimulationMatlab/SimMechanics,theyaresimilar,thatestablishmentthereasonable杭州电子科技大学硕士学位论文IIIofthemodel.Themathematicalstatisticalmethodsareusedforanalysisoflowerlimbmovementparameters,firstEMGsignalde-noisedbythenewthresholdde-noisingmethod,withthefeaturevectorextractedbyaveragemethod,therelationshipbetweensurfaceEMGandjointtorqueareanalyzed,wefoundjointtorqueandsurfaceEMGareapproximatelinearrelationship,onthisbasis,expressingjointtorqueandsurfacerelation.Usingregressionanalysispolynomialfittingmethodtofindtherelationshipbetweentorqueandtimeinavarietyofexercisemodesforthelowerlimb,alloftheseprovidingexperimentalandtheoreticalbasistothestudyofhumanlowerlimbcontrolmethod.Keywords：Sportsbiomechanics,dynamics,jointtorque,SimMechanicmodeling,regressionanalysis杭州电子科技大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。论文作者签名：日期：年月日学位论文使用授权说明本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。（保密论文在解密后遵守此规定）论文作者签名：日期：年月日指导教师签名：日期：年月日111.111600137[1]——[2]1.22WoodieFlowers[3]DarlingGrimesMyersMoskowitsTrioloMoskowitsPeeraerADAPTIVE2SmartIPSmartIntelligentProsthesisC-LegADAPTIVE2[4][5]20[6]31.3FornimanJones2002SheffieldYamagataFluentKaluosi[7]MoeinzadehMH[8]EnginAETumerST[9]KistlerCybex[10-11]1.3.1[12-13]1421.3.2Pandy.M.G[14]2006[15][16]T.Spagele[17]5[18-19]Newton-EulerKaneR/WHazte1/dpdtR=1.1O00/dLdtM=1.2211,dtWTTWδ=−=1.32[20]1.4jqnTjQjqLKP3Newton-Euler()(1,2,...,)jjjdTTQjndtqq⋅∂∂−==∂∂6Newton-EulerSchiehlenNewton-Euler[21]Jourdain4Kane2060KaneKane[22]Nn1(1,2,...,)sqsn=(1,2,...,)rurn=rusq•1(1,2,...,)nrrssrsuYqZrn•==+=∑1.52ivruru()rivir()()1(1,2,...,)nrtiirirvvuvin==+=∑1.63iiF,rK()1(1,2,...,)NriiiKFvnττ==•=∑1.741.7ia*iiiFma=−*rK**()()11()NNrrriiiiiiiKFvmav===•=−•∑∑1.85Kane*0(1,2,.