基于下肢關(guān)節(jié)力矩解算與預(yù)測(cè)的人體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)感知研究.pdf

1、外骨骼機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對(duì)穿戴者主動(dòng)助力的前提是提前獲知穿戴者的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，雖然通過檢測(cè)人體生物信號(hào)（EEG、EMG、肌肉硬度等信號(hào)）可以較為直接地獲得穿戴者的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，但是這類方法存在傳感器安裝不便、可靠性低的問題；而通過安裝在外骨骼機(jī)器人上的位置類傳感器檢測(cè)穿戴者運(yùn)動(dòng)信號(hào)，容易獲得穩(wěn)定可靠的結(jié)果，若能利用當(dāng)前運(yùn)動(dòng)信號(hào)并結(jié)合特定算法以實(shí)現(xiàn)外骨骼機(jī)器人對(duì)人體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的預(yù)測(cè)，則必能將外骨骼機(jī)器人的主動(dòng)助力功能帶入實(shí)際應(yīng)用。針對(duì)該情況，本文研究了基于

2、人體動(dòng)力學(xué)模型的關(guān)節(jié)力矩解算方法，結(jié)合下肢運(yùn)動(dòng)步態(tài)周期性的特點(diǎn)設(shè)計(jì)一套用于預(yù)測(cè)穿戴者關(guān)節(jié)力矩變化趨勢(shì)的算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)穿戴者運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的感知。
　　本研究首先為了獲得穿戴者的實(shí)時(shí)關(guān)節(jié)力矩，利用下肢外骨骼機(jī)器人上的傳感器獲得運(yùn)動(dòng)信號(hào)，建立人體下肢簡(jiǎn)化模型，對(duì)外骨骼人機(jī)系統(tǒng)中人體運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)基于外骨骼機(jī)器人上傳感信息的穿戴者關(guān)節(jié)力矩實(shí)時(shí)解算，為關(guān)節(jié)力矩的預(yù)測(cè)算法奠定基礎(chǔ)。研究結(jié)果表明，下肢關(guān)節(jié)力矩的變化能夠及時(shí)的反應(yīng)出下肢

3、運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的變化，證明其可用于人體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的感知。其次，為了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)穿戴者運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，構(gòu)建穿戴者在典型步態(tài)及近期步態(tài)下的關(guān)節(jié)力矩信息樣本庫；將當(dāng)前步態(tài)下已出現(xiàn)的關(guān)節(jié)力矩曲線與樣本庫中對(duì)應(yīng)時(shí)區(qū)的關(guān)節(jié)力矩曲線進(jìn)行相似性度量，根據(jù)度量結(jié)果把當(dāng)前運(yùn)動(dòng)分為平穩(wěn)步態(tài)運(yùn)動(dòng)和變異步態(tài)運(yùn)動(dòng)；對(duì)于平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，利用相似樣本的關(guān)節(jié)力矩曲線獲得當(dāng)前步態(tài)的關(guān)節(jié)力矩的預(yù)測(cè)值；對(duì)于變異運(yùn)動(dòng)，定義變異度評(píng)價(jià)函數(shù)，變異度較小則對(duì)樣本進(jìn)行平移和拉伸變換使其與當(dāng)前運(yùn)動(dòng)相似以用于預(yù)測(cè)

4、；變異度較大則基于時(shí)間序列短期預(yù)測(cè)模型對(duì)穿戴者運(yùn)動(dòng)所需的關(guān)節(jié)力矩進(jìn)行預(yù)測(cè)。最后，為了驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)感知算法的有效性，建立下肢外骨骼機(jī)器人的助力性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并利用下肢外骨骼機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。對(duì)平穩(wěn)步態(tài)運(yùn)動(dòng)和變異步態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)穿戴者下肢的關(guān)節(jié)力矩進(jìn)行預(yù)測(cè)，并將預(yù)測(cè)結(jié)果經(jīng)助力系數(shù)調(diào)整后直接控制外骨骼機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，使外骨骼對(duì)穿戴者產(chǎn)生助力，根據(jù)設(shè)定的助力性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)衡量外骨骼機(jī)器人對(duì)穿戴者的助力效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)預(yù)測(cè)算法對(duì)下肢外