基于simmechanics的人体平衡动力学仿真与分析

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1、密级：学校代码：10075分类号：学号：20091284工学硕士学位论文基于SimMechanics的人体平衡动力学仿真与分析学位申请人：周文辉指导教师：肖金壮副教授学位类别：工学硕士学科专业：控制理论与控制工程授予单位：河北大学答辩日期：二○一四年六月ClassifiedIndex：CODE：10075U.D.C：NO：20091284ADissertationfortheDegreeofM.EngineeringSimulationandAnalysisofHumanBalanceDynamicsBasedonSimMechanicsCandidate:Zhou

2、WenhuiSupervisor:ViceProf.XiaoJinzhuangAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:ControlTheoryandControlEngineeringUniversity:HebeiUniversityDateofOralExamination:June,2014摘要摘要维持平衡是人类的一项基本功能，许多运动都以完整的平衡功能为基础。作为近年来研究的热点之一，人体平衡相关研究包括人体平衡的机制和机理的探讨和分析、平衡能力指标的检测与评价、平衡功能的康复与训练等。现

3、有人体平衡动态过程数据的获取通常采用真人实测。虽然实测数据具有真实性，但是也存在诸如对检测设备的依赖性，耗费人力物力，安全性等方面的问题。而基于仿真的人体平衡研究，完全通过计算机模拟软件实现，既直观明了，又节省了大量的人力物力，同时更加具有针对性和安全性。本文研究人体平衡从直立平衡着眼，建立了基于Simulink/SimMechanics的三种直立人体刚体模型和三种平衡控制器模型，模拟在静态直立姿势下，人体通过重心调节来确保处于直立状态而不摔倒的动态过程。具体来讲：(1)通过PID控制的人体一级倒立摆模型仿真明确了在相应模型下控制器的三个参数P、I、D各自的作用，讨

4、论了人体参数(包括身高、体重等)的不同对平衡响应(包括频率、调节时间等)的影响。(2)将人体由一级倒立摆模型细化成二级多连杆倒钟摆模型，并采用带延时的PD控制器模型进行仿真，进一步确定了相关参数与调节时间的变化规律及范围，以便于通过参数调整对不同人体进行平衡仿真。(3)考虑到人体平衡过程的非线性，建立了一种新的间歇反馈控制器模型。通过该控制器控制二级倒立摆模型，能够有效模拟人体平衡过程的调节规律，仿真效果更加逼真，通过仿真得到的数据更加接近人体实际测量数据。(4)通过设计相应的实验，采集人体平衡过程实际数据，证明了上述仿真的正确性和合理性，从而使仿真更具有说服力。总

5、之，本文采用不同的人体模型和控制器模型对人体直立平衡进行动力学仿真与分析，仿真原理从人体平衡生理机理出发，仿真结果与实验数据有很好的一致性，实现了人体动态平衡过程数据的获取，为人体平衡能力分析评定提供数据支撑。关键词人体平衡动力学SimMechanics仿真刚体模型控制器模型IAbstractAbstractMaintainingbalanceisabasicfunctionofthehumanbody,manymotionsarebasedonthecompletebalancefunction.Asahotresearchinrecentyears,humanb

6、alanceincludesitsmechanismsandtheoryexplorationandanalyzation,balancetesting,indicatorsevaluation,rehabilitationandtraining,etc.Existingaccesstothedynamicprocessofhumanbalancedataisusuallymeasuredbytestlivevolunteersorpatients.Althoughthemeasureddatacanbeauthentic,thereareshortcomings,

7、suchasthedependenceofthetestequipment,consumemanpowerandmaterialresources,andmaybesomesecurityissues.Basedonthesimulationofhumanbalanceresearch,itentirelydependsoncomputersimulationsoftware.Itisintuitive,clear,andsavesalotofmanpowerandresources;meanwhile,itismoretargetedandhasmoresec