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《基于牛顿-欧拉动力学方程的人体下肢动力学分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。
1、基于牛顿-欧拉动力学方程的人体下肢动力学分析梁国星梁宇航李志利任启超杜康太原理工大学精密加工山西省重点实验室员科研训练中心航天医学基础与应用国家重点实验皇目的建立人体下肢动力学方程，求解不同步态下关节部位的运动学参数与动力学参数。方法应用牛顿-欧拉动力学方程建立人体下肢两杆动力学方程。根据实验者的人体参数计算得出方程中的人体大、小腿的长度、质量、质心位置以及转动惯量，通过Vicon三维运动采集设备，对人体下肢不同速度步态下的运动学参数进行釆集，得出了各种步态下髋、膝关节的关节角度随时间变化曲线图。将角度数据、足底压力数据及
2、下肢模型所需参数带入方程中，通过Matlab软件进行编程计算。将计算结果与ADAMS人体步态仿真结果进行力矩峰值的比较，验证了所建立方程的正确性。结果求解计算出了不同步态下髋、膝关节的力矩。结论通过建立动力学方程求解关节力矩，实现了关节下肢力矩在不同步态下的精确求解，为外骨骼的关节力矩设定提供了依据。关键词：牛顿-欧拉动力学;两杆动力学方程;Matlab计算;下肢力矩;paringthejointpeaktorquebetweenthedynamicscalculationandtheADAMSsimulation,the
3、correctnessoftheequationwasverified.ResultsThetorqueevolutionsofthehipandkneejointintwodifferentgaitsweredisclosed.ConclusionThroughthecalculationofhumanlowerlimbdynamicsequations,thejointtorquesatdifferentmodesweresolvedprecisely,whichmayprovideareferencefordefin
4、ingthejointtorqueparametersoftheexoskeleton.Keyword：Newton-Eulerdynamicequation;two-linkdynamicequation;Matlabcalculation;lowerlimbtorque;牛顿-欧拉动力学方法是对机器人运动的每个刚体利用牛顿力学建立方程并用其理论来推导出来的动力学运算公式。利用这些公式，然后总结制定机器人系统力、扭矩、加速度和角加速度之间的关系机器人的机械系统动力学方程的矩阵表示［1-3］。牛顿-欧拉刚体动力学公式易理解
5、、方法直观、计算量小，本论文采用此法求解人体下肢的动力学方程。ViconNexus运动捕捉系统可以捕捉人体不同运动状态下各关节运动轨迹，提供运动学信息，为动力学计算提供依据U1。将ViC0n采集的下肢marker点数据计算得到髋、膝关节角度变化数据后，再通过计算得到的大、小腿的长度、质量、质心的位罝以及绕质心转动的转动惯量等参数，利用Matlab软件编程计算，可求得不同步态下下肢各关节的力矩。1方法1.1研宄对象与仪器设备男性青年志愿者若干，BMI（体质指数）为18.5〜23.9。采用英国OxfordMetricsLimi
6、ted公司所生产的Vicon光学三维运动捕捉系统进行不同步态数据采集，采样频率300Hz。1.2几何模型构建假设模型屮每个杆件都是刚体，为了使杆件运动，必须对其加速或减速，运动杆件所需耍的力和力矩是所需加速度和杆件质量分布的函数。牛顿方程和用于转动情况的欧拉方程一起，描述了模型驱动力矩、负载力矩、惯量和加速度之间的关系［5］。对人体下肢进行动力学分析采用牛顿-欧拉动力学方法，建立下肢动力学模型，由于人体步态下肢关节力矩主要产生在额状轴上，故将下肢动力学模型简化为两杆模型，便于分析计算。将两杆模型设置在yoz平面内，绕x轴线
7、旋转，创建的模型如图1所示。图1人体卜肢模型Fig.1Modelofhumanlowerlimb•卜载原图根据阁1中模型，大腿长度为Lb大腿矢径在任意时刻与oy轴的夹角为（）b任意时刻质心为C
8、，质心位罝为质心矢径为L,小腿长度为U小腿矢径在任意时刻与大腿轴线的夹角为e2,任意时刻质心为c2,质心位置为c2,质心矢径为k设给定受试对象的大腿重量为小腿重量为m2,设MX1为大腿绕x轴方向的驱动力矩，Mx2为小腿绕x轴方向的驱动力矩，^为大腿绕x轴方向的角速度,为大腿绕x轴方向的角速度，e大腿绕x轴方向的角加速度，e2为大腿绕
9、x轴方向的角加速度，则大腿驱动力矩表示为0］,角速度为，角加速度为，小腿驱动力矩表示为M2=［Mx200］，角速度为，角加速度为根据牛顿欧拉方程得大腿的动力学方程可表示为:同理，小腿动力学方程可表示为:上式中F。.bF,,2,F2,、分别表示人体躯干作用在大腿上的力、大腿作用在小腿上的力与足部作用在小腿
