基于LIPM的人体平衡评价方法和外骨骼平衡恢复控制研究.pdf

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1、硕士学位论文基于LIPM的人体平衡评价方法和外骨骼平衡恢复控制研究RESEARCHONLIPM-BASEDHUMANBALANCEASSESSMENTMETHODANDEXOSKELETONBALANCERECOVERYCONTROL朱锋哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TP242.2学校代码：10213国际图书分类号：621.38密级：公开工学硕士学位论文基于LIPM的人体平衡评价方法和外骨骼平衡恢复控制研究硕士研究生：朱锋导师：郭伟教授申请学位：工学硕士学科：机械电子工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大

2、学ClassifiedIndex:TP242.2U.D.C:621.38DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONLIPM-BASEDHUMANBALANCEASSESSMENTMETHODANDEXOSKELETONBALANCERECOVERYCONTROLCandidate：ZhuFengSupervisor：Prof.GuoWeiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechatronicsEngineeringA

3、ffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要外骨骼技术在康复和助力领域的应用日渐突出。依赖外骨骼技术在年老力衰者、残障人士遇到意外干扰时帮助其恢复姿态平衡具有十分迫切的需求，涉及诸多关键技术。其中人体姿态平衡评价方法及外骨骼平衡恢复控制方法的研究与有机融合是穿戴者利用外骨骼实现姿态平衡恢复的保证。然而目前仍缺乏一种同时适用于站立和行走状态的人体姿态平衡

4、评价方法，且外骨骼平衡恢复控制相关研究较少，为此本文开展了基于线性倒立摆模型(LinearInvertedPendulumModel,LIPM)的人体姿态平衡评价方法和基于髋部外骨骼的平衡恢复控制的研究。首先，根据人体五杆模型进行了参数归一化，在此基础上推导了人体正运动学方程。利用IMU元件和足底压力鞋垫搭建了多传感器系统，利用运动学计算值与传感器信息融合实现了人体质心和摆动脚的位置和速度的实时估计。然后利用该多传感器系统进行了人体运动实验，验证了人体运动状态实时估计的有效性和准确性，为人体姿态平衡评价和平衡恢复控制奠定了基础。其次，研究了不同LIPM预测

5、人体质心位置和速度的结果，发现带有有限尺寸足的LIPM可以较准确地预测质心位置和速度。而后在捕捉点理论基础上，提出了姿态单步平衡的概念，开展人体运动实验研究了捕捉点和摆动脚运动状态与姿态单步平衡的关系，发现了人体在保持姿态单步平衡时的“摆动脚追赶捕捉点”的现象。基于该现象建立了同时适用于站立和行走状态的人体姿态平衡评价方法，并开展实验验证平衡评价方法进行姿态平衡程度评价的正确性。然后，根据人体五杆模型建立了人体动力学方程，进行了髋关节力矩求解结果的验证；在此基础上建立了基于动力学项补偿的髋关节助力力矩计算方法，该方法利用模糊逻辑推理建立了姿态平衡程度和髋关

6、节助力系数的映射关系。之后结合人体姿态平衡评价方法，形成完整的髋部外骨骼平衡恢复控制架构，并在Matlab/Simulink中进行仿真，初步验证了该平衡恢复控制方法的可行性。最后，为了验证髋部外骨骼平衡恢复控制方法的有效性，利用髋部外骨骼样机，首先通过实验验证了该髋部外骨骼对于穿戴者正常运动的“透明性”。在此基础上，通过对穿戴者施加前向和后向的干扰，分别开展了在站立状态、行走状态下穿戴与不穿戴外骨骼姿态失衡时的对比实验，验证了髋部外骨骼平衡恢复控制方法对于帮助穿戴者恢复姿态平衡的有效性。关键词：状态估计；线性倒立摆；单步平衡；平衡评价；平衡恢复；外骨骼-I

7、-AbstractAbstractTheapplicationofexoskeletoninrehabilitationandassistancefieldhasbecomeincreasinglyprominent.Relianceonexoskeletonhasbecomeapressingneedforhelpingaginganddisabledpeopletorecoverposturebalancewhentheyencounterunexpecteddisturbances,whichinvolvesmanykeytechnologies.T

8、hestudyandorganicfusionofthehuman