基于牛頓-歐拉法的人體下肢動力學分析與建模

張玉葉，張原園，毛少坤，張 婷

（咸陽師范學院 物理與電子工程學院，陜西 咸陽 712000）

由于老齡化、疾病、車禍等原因引起中樞系統損傷，產生大量的下肢運動功能障礙患者。依據神經功能重塑理論，運動訓練能恢復神經對肢體運動控制，越早及越足量進行訓練，恢復效果越好。下肢外骨骼康復機器人作為一種助力設備，可實現實時、有效地提供助力，緩解人體下肢疲勞，這對于老年人與殘疾人來說，將是一個福音[1-2]。國外研究機構相繼研發了各類康復機器人，如：德國RECK公司研制的MOTOmed康復設備能夠實現被動運動、助力運動等功能[3]；美國的RUTGERS大學開展了腳部康復機器人的研究，并研制了RUTGER踝部康復訓練機器人；美國密歇根大學研究的下肢康復機器人，實現了肢體的阻抗控制訓練[4]。在國內，清華大學、哈爾濱工程大學、西安交通大學等高校也對下肢康復機器人進行了研究。如哈爾濱工程大學開發了臥式下肢康復機器人，對下肢運動障礙的患者進行多模式的康復訓練[5]。

由于下肢外骨骼跟隨人體下肢一起運動，在理想的情況下，康復機器人通過對穿戴者的運動意圖進行“預測”，實時改變外骨骼的運動狀態并對驅動關節提供力矩補償，從而為使用者提供助力[6]。因此，建立合理的人機動力學模型，實時獲取人體運動信息，正確判斷運動意圖，針對這一狀況建立機器人動力學模型并進行機器人設計、軌跡規劃、動力學優化以及實時控制具有重要的意義。……