基于人体运动学、动力学和ZMP的大腿肌无力老年人步态规划研究

来源 :河北工业大学 | 被引量 : 13次 | 上传用户:shaoyan_8
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随着社会的发展,人类老龄化、空巢化现象日益增多,老年人的身体状况逐渐成为了社会关注的重要问题之一。下肢肌力流失会影响人体的运动稳定性,行走时灵活程度下降,肌肉强度以及控制能力不断减退,严重影响老年人的日常活动。目前有关人体跌倒的研究多是采用实验的方法,可以通过腰部佩戴传感器进行跌倒识别,国内外又研发出下肢康复训练机构,这对老年人起到了一定的保护作用。不同于这些稳定支撑的装置,步行的稳定性一直是困扰老年人正常行走的因素,尤其是针对下肢肌力不足的老年人的动态步行,对稳定性提出了很高的要求。除了研究一些防跌倒机构,对人体的步态规划也是非常关键的。因此本文通过分析类人形机器人如何动态稳定行走,对大腿肌无力老年人的步态规划也进行了研究:1.对人体的运动学和动力学建模进行了讨论。采用广义坐标法对人体的前向和侧向平面都进行了运动学建模,目的是在人体正常行走时得出下肢各关节的运动情况以及各个肢体的运动位姿;采用Lagrange方程对人体的动力学模型进行了分析,目的是得出人体下肢各关节的作用力和力矩,为后续的步态规划做好了准备。2.以ZMP为稳定性判据,对大腿肌无力老年人的动态步行进行了合理性的规划。对人体行走的稳定性进行分析,推算得出ZMP的理论公式,并对人体的自身行走提出了一些假设和限定了一些约束条件。采用基于三次样条插值函数的五点式规划法对人体的步长、步行周期等参数进行了设计,并针对一些情况实时地调整参数,从而得到适应性和灵活性的步态。3.采用计算力矩控制的方法通过待设计的下肢外骨骼装置对肌力衰退的老年人行走时的各个关节力矩进行补偿,通过关节轨迹追踪的方法在极短的时间内对其误差进行校正,有效地提高了人体行走的稳定性。
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