[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

权利要求书

1.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，其特征在于，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，

在步骤三中，所述人体脚底作用力的解算包括：单腿支撑相脚底作用力解算、双腿支撑相中竖直脚底作用力求解和双腿支撑相中水平脚底作用力求解，其中，

所述单腿支撑相脚底作用力解算包括：

总体脚底压力为：

其中GRF_x为水平方向的脚底作用力，GRF_y为竖直方向的脚底作用力，a_x,i为肢体段质心水平方向的加速度，a_y,i为肢体段质心竖直方向的加速度，上肢质心的加速度信息由安装于上肢的IMU信息求得：

其中，a_b1,S为固结于上肢的IMU的加速度，w_b1,S为固结于上肢的IMU的角速度，为由IMU₁坐标系中心指向上肢质心的矢量，

上述信息与IMU的测量信息之间的转化关系为：

其中为上肢局部坐标系到传感器坐标系的方向余弦矩阵，

其中为由髋关节中心指向上肢质心的矢量，为由髋关节中心指向IMU₁坐标系中心的矢量，

上肢质心加速度在肢体段坐标系内的表达式为：

所述双腿支撑相中竖直脚底作用力求解包括：

在双腿支撑相时，将总体脚底作用力分解给左右足部求解关节力矩，单侧脚底压力占总体脚底作用力的比重系数为：

η_z,v＝a₁/(e^(a₂-a₃t_d/T_d)-a₄)-a₅          (10)

其中，t_d为双腿支撑相从开始时经过的时间，T_d为整个双腿支撑相的时间，a₁至a₅为常数，

双腿支撑相中竖直脚底压力计算方法如下：

GRF_yr＝GRF*η_z,v              (11)

GRF_yl＝GRF-GRF_yr          (12)

其中，GRF_yr和GRF_yl分别为右侧和左侧竖直方向脚底作用力；

所述双腿支撑相中水平脚底作用力求解包括：

单侧脚底压力占总体脚底作用力的比重系数表示为:

η_z,l＝b₁/(e^(-(2t_d/T_d)^b₂)-b₃           (13)

其中，t_d为双腿支撑相从开始时经过的时间，T_d为整个双腿支撑相的时间，b₁至b₃为常数，

GRF_xl＝GRF/η_z,l                    (14)

GRF_xr＝GRF-GRF_xl                  (15)

其中，GRF_xl和GRF_xr分别为左侧和右侧水平方向脚底作用力。

2.根据权利要求1所述的惯性传感器的运动模式无关下肢动力学实时解算方法，其特征在于，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。