基于多传感融合的人体运动辨识与控制研究

论文摘要

我国每年由于人口老龄化以及脑卒中等疾病引起的下肢功能障碍患者的人群数量不断扩大,这些丧失部分甚至全部运动能力的人群给社会和家庭都带来了沉重的负担。运动功能受损人群的康复问题已经成为了一个必须面对的社会问题。针对这类患者的传统康复手段基本上都是靠康复医师进行一对一的康复治疗,这种疗法不仅给理疗师带来很大的劳动负担,同时也会降低康复治疗的效率,并且我国从事康复治疗的理疗师在数量上存在巨大的缺口,远远不能满足我国现实情况的需求。基于以上情况,对于康复机器人的研究就应运而生。康复机器人在需要不断进行重复训练动作方面具有巨大优势,能够极大的减轻康复理疗师的工作负担,此外,由于康复机器人在设计过程中严格对标健康人体的运动特征,使其能够为患者提供全面、科学、高效的训练效果。本文中首先介绍了基于人体解剖学下的下肢骨骼、关节以及各主要肌肉肌群。正常人体下肢共有62块骨骼,主要包括股骨、胫骨、腓骨以及足骨。其中股骨作为人体内部最长也是最结实的管状结构骨骼对于支撑人体起到重要作用,胫骨作为小腿骨中的主要骨骼承担了人体的大部分自重。下肢的三个关节髋关节、膝关节和踝关节共提供了7各自由度用来满足人体运动需求。下肢肌肉相较于上肢肌肉来说需要提供更多的肌肉力,因此显的更为粗壮。在对人体下肢深入了解后,建立了包含上身、大腿、小腿以及足的人体站起运动学模型,并在此模型的基础上推导得出了下肢各关节的力矩计算公式。为了满足实验的需要,本文搭建了包含力传感信号、运动学传感信号以及表面肌电信号三类信号的数据采集系统。利用Arduino uno单片机作为数据处理单元,选用四片YZC-161B压力传感器组成的全桥电路来测量座椅面竖直反力以及地面竖直反力,选用可扩展的六轴运动学传感器mpu6050以及串行多路复用器PCA9548AD实现同时采集三路运动学信号。利用三通道的表面肌电信号采集单元、高速模拟量数据采集卡PCI-1713U以及Labview采集表面肌电信号。最终的数据采集系统可以满足实验要求。本文中选取了10名健康男性参与实验,对于站起过程中的运动姿态、关节力矩以及下肢所选取的五条肌肉的肌肉贡献做了具体的分析与研究。实验结果表明,在站起过程中人体总是上身最先开始运动,当上身向前摆动还未达到最大值时膝关节开始屈伸,随后人体全身开始伸展直至完全站起。而在这一过程中下肢肌肉的主要贡献都集中在seat-off时刻之前,在seat-off时刻之后肌肉贡献明显降低。实验结果初步揭示了人体在站起过程中自身的控制策略,为后续康复机器人的开发提供了理论基础。

论文目录

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 本文研究目的与研究内容

第2章人体下肢解剖学介绍及动力学方程的建立

2.1 人体的基本轴与基本面

2.2 人体下肢骨骼与肌肉

2.2.1 人体下肢的骨骼与关节

2.2.2 人体下肢主要肌肉

2.3 站起运动学模型及动力学方程的建立

2.4 本章小结

第3章多传感数据采集系统

3.1 压力信号采集

3.1.1 应变式压力传感器

3.1.2 放大和模数转换模块

3.1.3 单片机的选型

3.1.4 数据的处理

3.2 站起过程中的运动学信号

3.2.1 运动处理传感器

3.2.2 串行总线多路复用器

3.2.3 数据处理

3.3 表面肌电信号

3.3.1 表面肌电信号产生机理及特点

3.3.2 表面肌电信号的采集

3.3.3 表面肌电信号的处理

3.4 本章小结

第4章人体站起实验分析与研究

4.1 实验准备和实验步骤

4.1.1 实验准备阶段

4.1.2 实验步骤

4.2 实验结果

4.3 实验结果讨论与分析

4.4 实验结论

4.5 本章小结

第5章总结与展望

5.1 本文总结

5.2 工作展望

参考文献

作者简介

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘勇

导师: 刘坤,魏德永

关键词: 多传感融合,关节力矩,控制策略,肌肉贡献

来源: 吉林大学

年度: 2019

分类: 基础科学,医药卫生科技,信息科技

专业: 生物学,生物医学工程,自动化技术

单位: 吉林大学

分类号: TP212.9;R318

总页数: 75

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