【摘 要】
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下肢助行外骨骼越来越广泛地应用于下肢运动障碍患者的运动恢复,步态规划是提前对下肢助行外骨骼各个关节的控制数据进行规划的过程。目前的步态规划方法按照数据的来源可以分为基于下肢测量学的步态规划方法和基于下肢模型计算的步态规划方法,存在的问题是没有考虑不同的使用者使用外骨骼的个体差异性以及在不同步行环境(平地、斜坡、楼梯)下行走所面临的环境差异性。然而研究表明不同个体在步行过程中表现出各自独特的步态,且
【基金项目】
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国家重点研发计划项目:截瘫助行外骨骼系统关键技术研究及示范应用-人机系统运动协调和平衡控制(2017YFB1302302);
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下肢助行外骨骼越来越广泛地应用于下肢运动障碍患者的运动恢复,步态规划是提前对下肢助行外骨骼各个关节的控制数据进行规划的过程。目前的步态规划方法按照数据的来源可以分为基于下肢测量学的步态规划方法和基于下肢模型计算的步态规划方法,存在的问题是没有考虑不同的使用者使用外骨骼的个体差异性以及在不同步行环境(平地、斜坡、楼梯)下行走所面临的环境差异性。然而研究表明不同个体在步行过程中表现出各自独特的步态,且同一个体在不同环境中的步态也有很大区别,所以步态规划过程中未考虑个体差异性与环境差异性极为不妥。本文在考虑两种差异性的基础上进行步态规划,为下肢助行外骨骼的控制提供支持,使得不同个体在不同行走环境下使用外骨骼都能够有最合适的步态以得到个性化的使用体验。本文主要包含三个方面的工作:(1)测量不同个体在不同环境中的关节角度,对不同环境下的人体下肢运动数据进行频域特征分析。通过频域分析构建运动学数据的傅里叶级数表达式,完成了运动学数据的统一表示。通过傅里叶级数表示髋、膝、踝关节角度的误差(RMSE)均值分别为0.4°、0.7°和0.9°。另外为了能够进行正运动学计算为步态规划的评估打下基础,本章还构建了下肢的七自由度连杆模型,并得到其运动学方程。(2)构建不同环境中个性化步态生成模型来实现个性化步态规划。通过相关分析发现步态影响因素(人体测量参数、步态参数)与关节角度之间有较强的相关关系,通过人工神经网络(ANN)学习得到该相关关系的映射模型并以此作为个性化的步态生成模型。结果表明:关节角度的验证过程中,步态规划模型得到的髋、膝、踝关节角度误差均值分别为3.6°、4.5°、3.1°;基于正运动学的评估过程中,模型生成的关节角度求得的足跟轨迹与期望轨迹之间的误差比均值为5.6%;基于下肢外骨骼的评估过程中,模型生成的关节角度控制外骨骼得到的髋、膝关节角度误差均值为2.50°,而基于单一预设轨迹的非个性化步态控制外骨骼得到的髋、膝关节角度误差均值为9.96°;所以模型生成的步态符合预期。(3)构建针对坡度与速度差异的步态生成模型来实现步态规划。搭建斜坡实验平台,采集不同坡度的斜坡上人体上坡与下坡步行的下肢运动学数据。研究不同坡度的斜坡上人体运动的关节角度与坡度的关系,以及不同步速情况下的关节角度与速度的关系,在此基础上实现针对不同斜坡坡度与不同步速的步态规划。针对不同坡度上坡与下坡步态规划得到的关节角度曲线与期望关节角度曲线之间误差均值为1.4°,不同步速下的步态规划得到的关节角度误差均值为1.4°,正向运动学验证过程中,足跟轨迹的误差较小。所以本文提出的步态规划方法在所选的三种应用场景能够得到较好的应用。
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