[发明专利]基于惯性传感器的运动模式无关下肢动力学实时解算方法

说明书

本发明涉及基于惯性传感器的运动模式无关下肢动力学实时解算方法，属于外骨骼动力学建模技术领域。所述实时结算方法包括以下步骤：步骤一、基本假设：将人体简化为7杆9自由度模型，定义人体的相关几何参数，确定人体模型参数；步骤二、建立人体行走运动学模型；步骤三、求解人体脚底作用力；步骤四、从足部出发求解人体关节内力；步骤五、从上肢出发求解关节力矩。本发明提出了基于惯性传感器的运动模式无关下肢动力学实时解算方法，主要解决了解算人体下肢关节力矩所需的设备限制问题，利用低成本的方法实时、准确、便捷地解算人体下肢关节力矩，并提供了一种基于IMU的人体行走时的下肢逆动力学建模方法。

技术领域

本发明涉及基于惯性传感器的运动模式无关下肢动力学实时解算方法，属于外骨骼动力学建模技术领域。

背景技术

目前，在下肢关节力矩解算的研究中，基于动力学方程的方法是主要研究方法。但是由于难以突破人体运动信息与脚底作用力测量的限制，利用光学动捕和测力台获取人体关节力矩依然占据主导地位。越来越多的研究尝试突破设备的限制，利用低成本的方法求解人体关节力矩。在人体运动信息测量的研究中，基于被动式机械的方法，由于缺陷较大，虽然依然有学者在使用，但是目前正在逐渐地被淘汰。基于光学动作捕捉系统的方法依然是业内的“黄金标准”。基于IMU(惯性测量单元)的方法，由于其便捷、准确、不受空间限制，正在受到越来越多的关注，是目前的新趋势。对于目前的人体下肢逆动力学而言，由于无法实时有效地获取人体运动与脚底压力信息，导致无法实时有效地解算人体下肢关节力矩，同时导致在人体助力的研究中只能依据统计学的人体下肢关节力矩曲线，极大限制了助力的效果。

发明内容

本发明的目的是提出基于惯性传感器的运动模式无关下肢动力学实时解算方法，以解决现有技术的不足，提供一套基于IMU的实时、准确、便捷地解算人体运动信息和下肢关节力矩的方法，从而为人体助力提供准确地依据，提高助力效果。

基于惯性传感器的运动模式无关下肢动力学实时解算方法，所述实时解算方法包括以下步骤：

步骤一、基本假设：将人体简化为7杆9自由度模型，定义人体的相关几何参数，确定人体模型参数；

步骤二、建立人体行走运动学模型；

步骤三、求解人体脚底作用力；

步骤四、从足部出发求解人体关节内力；

步骤五、从上肢出发求解关节力矩。

进一步的，在步骤一中，所述7杆9自由度模型中，所述7杆包括：由人体整个上肢简化而成的单一的刚性杆件、人体右侧大腿、右侧小腿、右足、左侧大腿、左侧小腿和左足，所述9自由度包括：上肢倾角转动、上肢x方向平移、上肢y方向平移、右侧髋关节转动、右侧膝关节转动、右侧踝关节转动、左侧髋关节转动、左侧膝关节转动和左侧踝关节转动。

进一步的，在步骤一中，所述人体的相关几何参数包括：

θ₇和θ₄，含义分别为左右踝关节角度，分别定义为左右踝关节与脚部质心的连线与小腿所在直线的夹角；

θ₆和θ₃，含义分别为左右膝关节角度，分别定义为左右大腿所在直线与小腿所在直线的夹角；

θ₅和θ₂，含义分别为左右髋关节角度，分别定义为左右大腿所在直线与躯干所在直线的夹角；

θ₁和q₁，含义分别为躯干倾角，分别定义为躯干与竖直方向的夹角；

q₇和q₄，含义分别为左右足部倾角，分别定义为左右踝关节与脚部质心的连线与竖直方向的夹角；