基于opensim的人体下肢与康复机器人耦合仿真

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1、天津大学硕士学位论文基于OpenSim的人体下肢与康复机器人耦合仿真CoupledSimulationofHumanLowerLimbsandRehabilitationRobotBasedonOpenSim学科专业：机械工程作者姓名：黄磊指导教师：罗振军副教授天津大学机械工程学院二零一五年十二月中文摘要随着人体下肢运动机能异常患者日益增多，社会迫切需要具有自适应闭环控制能力的机器人化康复训练系统。本文针对在开发新型下肢康复机器人过程中出现的控制算法有效性及可靠性等难以快速验证和优化的问题，系统研究虚拟

2、仿真系统中的高精度人体建模、人体下肢肌骨模型正逆动力学求解问题、下肢康复外骨骼的运动学及动力学分析问题，提出实现人体系统与外骨骼机构之间正动力学耦合仿真的解决方案，进而根据仿真结果优化控制算法参数，有望通过可自适应调节的步态训练促使患者下肢运动肌能更好更快的恢复。本文的主要研究工作概括如下：1．首先，利用OpenSim软件建模功能建立高精度的人体下肢肌骨模型，并基于SimTrack进行典型人体双足步行过程的逆向动力学仿真分析，获得各肌肉力数据。在逆向动力学分析流程中采用实现正解过程所使用的肌肉控制计算模

3、型算法CMC（ComputedMuscleControlAlgorithm）以及该算法所应用到的人体肌肉-肌腱力学模型，并以步态数据作为输入对所选的人体模型进行了运动学和动力学仿真，得到了若干生理学曲线。2．下肢康复机器人的建模仿真。目前技术比较成熟而且应用比较广泛的下肢康复机器人要属Hocoma公司的Lokomat。本文综合Hocoma公司官方网站提供的Lokomat模型尺寸参数以及在OpenSim中所选人体模型的对应尺寸参数，利用三维建模软件SolidWorks对Lokomat进行再设计、建模，并在

4、多体动力学仿真软件RecurDyn中进行运动学和动力学仿真，得到了与人体下肢单独仿真时得出的步态曲线相一致的曲线，为人体下肢与康复机器人的耦合仿真奠定了基础。3．人体下肢与康复机器人的耦合仿真。本文首先基于XML格式文件技术对人体下肢与康复机器人组合模型进行构建；然后通过OpenSim与Matlab联合仿真的方式，在Matlab中进行代码的编写并运行，实现了人体下肢与康复机器人的耦合仿真，并得到了较为理想的效果，从而验证了下肢康复机器人Lokomat机构设计的合理性与正确性以及通过它进行科学的步态训练达

5、到运动肌能不同程度恢复的效果；最后针对仿真过程中起到关键作用的Bushing力约束的控制算法模型进行了介绍，方便后期工作的完善。关键词：人体下肢；康复机器人；耦合仿真；OpenSim；Lokomat；MatlabIAbstractWiththecurrentsituationofdeclineorlossofhumanlowerlimbmotorskillscausedbyillnessandagingaswellasdigitalsimulationandoptimizationofcontrolal

6、gorithmsfornewlowerlimbsrehabilitationrobot,thepaperstudiesonkinematicsanddynamicsofmusculoskeletalmodelsoflowerlimbsandexoskeletonlowerlimbrehabilitationrobottoexploresolutionsofpositivecouplingsimulationbetweenthem,aimingtogainoptimizedparametersofcont

7、rolalgorithmandgainbetterrestoreofmuscleenergythroughadaptivegaittraining.Themainworkofthispaperissummarizedasfollows:1.AnalysisofkeytechnologiesonmodelingandsimulationinOpenSim.ThehumanmotionsimulationsoftwareOpenSimdevelopedbymorethanadozenscholarssuch

8、asFrankAndersonfromStanfordUniversityoftheUnitedStatescontainsalargenumberofhumanbodymodelandthegaitdataanditcanachievepositivedynamicssimulation.ProcessestoachievepositivedynamicssimulationandComputedMuscleControlAlgorith