人体下肢动力学建模与行走步态分析

摘要

下肢外骨骼机器人在辅助康复、助力助行和拓展体能等领域有着广泛的应用前景。由于缺乏对人体自然运动规律足够的认识，当前的外骨骼系统很难和人体运动完全协调，影响或限制人体的自然运动，反而增加穿戴者自身的代谢量；同时对于多关节、多自由度外骨骼系统，驱动器较多且控制复杂，也会影响外骨骼系统的性能和稳定性。本文以人体直线行走为研究对象，分析人体的行走运动规律，利用人体下肢动力学特征向量重构直线行走步态，探索一种优化下肢外骨骼驱动器数量和控制的新思路。 本文以人体直线行走为研究对象，建立了矢状面内下肢关节多自由度的动力学模型。根据中国成年人人体惯性参数国家标准，利用身高和体重的二元回归方法得到系统参数，同时参考人体关节肌肉的刚度值，计算得到了人体下肢动力学特征向量。该特征向量的物理意义是在特定特征频率下各关节转角的比值。 基于实验者动力学特征向量和采集的行走步态数据，反算各特征向量的步态拟合系数，将步态周期进行了合理划分，分析区间内各拟合系数的相关性系数，实现了用更少特征向量重构下肢直线行走步态。这对外骨骼驱动器的优化设计具有指导意义。 同步采集了人体下肢运动过程中下肢关节角与相关肌肉的肌电信号，分析步态拟合中主要特征向量和其对应关节肌肉的关系，初步建立了动力学特征向量和生理学肌电信号的联系，为研究肢体多自由度运动的肌肉协同机理提供基础。

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