关节力和关节力矩的反馈估计制造技术

本文提出了一种设备和方法，用于估计人体的关节力和力矩。前向动力学模块决定着模拟的运动学数据。误差校正控制器使得模拟的运动学数据和测量的（或理想的）运动学数据之间的跟踪误差校正控制器趋近于零。误差校正控制器生成修正的加速度，用于输入到逆动力学模块。估计的关节力和力矩跟踪测量的（或理想的）运动学数据，而不具有由于计算噪声运动学数据的高阶导数而产生的误差。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及人体运动分析，或者更确切地说，在前向动力学模拟中使用非线性反馈来分析关节力和关节力矩。
技术介绍
在人体运动研究中，一般使用逆动力学分析来估计关节力和关节力矩。在现有的逆动力学分析中，通过观察部分动作来计算关节力和关节力矩。因为人体关节的内力不容易被测量，所以逆动力学分析一般用于生物力学问题。不过，部分动作可以被测量，而且关节角可以从测量的位移量来得到，以决定相应的关节力和力矩。在人体运动研究中使用逆动力学的一个麻烦是由计算高阶导数来计算关节力和关节力矩所引起的误差。如果输入信号没有噪声而且动力学模型很完美，则在生物力学中就会发展出较好的使用逆动力学概念的方法。不过，实验观察是不完美的，并受到噪声的污染。噪声源包括测量设备和关节自身。用于计算关节力矩的逆动力学方法需要计算实验观察的高阶导数。特别的，角加速度项是关节角的二阶导数，线性加速度是质心加速度(center of mass acceleration)的二阶导数。实验观察的数值微分放大了噪声。当考虑计算速度和加速度问题时，高频噪声的存在是非常重要的。每个谐波的幅度随着谐波数的增加而增加速度线性地增大，且加速度与谐波数的平方成比例地增加。例如具有高频噪声ω的信号的二阶微分能够导致具有ω2频率分量的信号。该抛物线噪声放大的结果是错误的关节力和关节力矩计算。尽管有对噪声进行滤波的技术，但滤波是困难和费时的，这是因为从噪声中区分出生物力学数据中的真实信号需要大量的分析。例如，低通滤波通常用于降低高频噪声。然而，低通滤波的困难在于选择最优切断频率fc。因为没有选择最优滤波参数的通用解决方案，滤波技术经常产生不可靠的结果。已经提出了基于优化的方法来估计关节力和关节力矩，而没有与执行传统逆动力学分析有关的误差。不象逆动力学，基于优化的方法不需要数值微分。然而，基于优化解决方案的应用是受限的，这是因为该方法是计算密集型的、不保证收敛、并且通常实施起来太复杂。使用逆动力学来分析人类运动的另一个问题是逆技术缺乏预测新颖运动行为的能力。在逆动力学中，力和力矩是从观察的响应中计算的。新颖运动的预测涉及计算从应用力和力矩中期望的响应。逆动力学分析缺乏预测能力，这是因为力和力矩是计算出来的，而不是从应用那些力和力矩的期望响应。因此，所需的是一个计算上有效的系统和方法，它们(1)用于估计关节力和关节力矩，而没有因为高阶导数而产生的误差；(2)不需要闭式和整体的分析；以及(3)用于预测人体运动的行为。
技术实现思路
本专利技术的一个实施例提出了对人体关节负载的估计。关节负载包括作用于关节的力和力矩。前向动力学模块通过运动动力学方程的数值积分(或模拟)来决定运动学。误差校正控制器使得在从前向模拟中获得的运动学与所测量到的(或理想的)运动学之间的跟踪误差趋近于零。误差校正控制器产生一种修正加速度，用于输入到逆动力学模块。在实例中，修正加速度表示的值不由所测量到的(或理想的)运动学数据的二阶导数来决定。因此，当将估计的关节负载应用于前向动力学模块时，估计的关节负载就会跟踪所测量到的(或理想的)运动学，而不会有因为计算噪声运动学数据的高阶导数而产生的误差。在另一个实施例中，对用于平面序列链接系统的关节负载进行了迭代估计。在迭代方法中，这种估计是从片段的序列链第一个端点开始的，并且是朝着序列链第二个端点来计算关节负载的。链中的片段通过关节被连接在一起，并且在关节处的反作用力和力矩为两个相连的片段所共享。为第一个片段所估计的关节负载被用在对下一个片断的估计中，直到到达目标关节。也就是说，迭代的输出为在下一个片段的连接点处的力和力矩计算结果。这个输出用作为下一个片段分析的输入。因此，迭代方法不需要为整个人体的动力学进行建模。尽管在特殊情况下，对整个人体动力学进行建模是可取的，但是该迭代方法所提供的灵活性能够减少误差源。迭代实施例包括开链估计和闭链估计。开链系统受到一端环境的约束，而余下的终端片段是自由的。闭链系统与环境相接触的端点不止一个。链接系统的片段按照迭代的顺序进行编号，从片段1直到片段n，即最后一个目标片段。在多体系统中，片段n不必是最后一个片段。片段n表示要中止迭代计算的那个片段，这样我们就得到了想要的力和力矩。为了初始化迭代，需要在第一个片段上有力和力矩作用。例如，在人体运动分析中，一般测量出足底的地面反作用力，以此来初始化迭代方程。地面反作用力的使用提高了在接近地面的关节处的关节负载估计的准确性。在又另一个实施例中，将本专利技术的跟踪系统应用于闭式动力学。无约束刚体系统的闭式系统方程是用n阶微分方程来描述的。类似于这里讲述的迭代实施例，使用了控制法则来线性化和去耦系统动力学。下面将参考附图，详细讲述本专利技术的进一步特征，它的性质以及它的各种优势。附图说明附图作为组成本说明书的一部分，图示了符合本专利技术的若干个实施例，并且结合讲述，可用于解释本专利技术的原理。图1解释了如何使用迭代计算将上半部分人体动力学和下半部分人体动力学分开。图2是在开链的平面序列链接系统中作用于多个片段的力的自由体图。图3是序列链接系统中的一个片段的自由体图。图4是用于链接片段i的跟踪系统的框图。图5是用于链接片段i的跟踪系统的框图，用于解释误差校正控制器的进一步细节。图6是一个流程图，用于解释迭代跟踪过程。图7是一个自由体图，用于解释一个三片段的二维系统。图8A～8C图示了使用小的反馈增益和忽略掉加速度的图7中的踝关节的位移的跟踪准确性。图9A～9C图示了使用小的反馈增益和忽略掉加速度的图7中的膝关节的位移的跟踪准确性。图10A～10C图示了使用小的反馈增益和忽略掉加速度的图7中的膝关节的力和力矩的跟踪准确性。图11A～11C图示了使用小的反馈增益和忽略掉加速度的图7中的髋关节的力和力矩的跟踪准确性。图12A～12C图示了使用小的反馈增益和包括加速度的图7中的踝关节的位移的跟踪准确性。图13A～13C图示了使用小的反馈增益和包括加速度的图7中的膝关节的位移的跟踪准确性。图14A～14C图示了使用小的反馈增益和包括加速度的图7中的膝关节的力和力矩的跟踪准确性。图15A～15C图示了使用小的反馈增益和包括加速度的图7中的髋关节的力和力矩的跟踪准确性。图16A～16C图示了使用大的反馈增益和忽略掉加速度的图7中的踝关节的位移的跟踪准确性。图17A～17C图示了使用大的反馈增益和忽略掉加速度的图7中的膝关节的位移的跟踪准确性。图18A～18C图示了使用大的反馈增益和忽略掉加速度的图7中的膝关节的力和力矩的跟踪准确性。图19A～19C图示了使用大的反馈增益和忽略掉加速度的图7中的髋关节的力和力矩的跟踪准确性。图20A～20C图示了使用大的反馈增益和包括加速度的图7中的踝关节的位移的跟踪准确性。图21A～21C图示了使用大的反馈增益和包括加速度的图7中的膝关节的位移的跟踪准确性。图22A～22C图示了使用大的反馈增益和包括加速度的图7中的膝关节的力和力矩的跟踪准确性。图23A～23C图示了使用大的反馈增益和包括加速度的图7中的髋关节的力和力矩的跟踪准确性。图24图示了图7中的踝关节的位移的跟踪误差。具体实施例方式下面参考附图来讲述本专利技术的优选实施例，其中引用数字表示相同或功能上相类似的部件。另外在图中，每一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种跟踪来自二阶微分系统数据的方法，该方法包括如下步骤：获取至少一个关节力矩；利用至少一个关节力矩来计算修正的加速度；以及利用控制法则来决定模拟运动学数据。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：贝赫扎德大流士，
申请(专利权)人：本田技研工业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]