基于Simlink/SimMechanics的人体平衡一级倒立摆仿真

文章编号：1007-9416（2012）09-0065-01

1、引言

目前关于人体平衡的研究很多，切入的角度有能量观点，小波分析，SD法（stabilogram-diffusion）等来分析，但对于仿真人体平衡过程的研究却不是很多。本研究的目的是建立一个PID平衡控制模型，对人体平衡过程进行动力学仿真，通过仿真更加直观的表现出人类恢复平衡的过程，从而有利于研究的进一步深入。

2、人体平衡动力学分析

人体踝关节力矩对人体站立平衡有明显影响，踝关节力矩会影响恢复平衡姿势的响应时间，而人体的中枢神经系统会根据偏离平衡位置的角度来调节踝关节输出的力矩，从而恢复平衡状态。

在重力作用下，人体保持垂直站立与一级倒立摆模型或者多级倒立摆模型，其控制策略具有相似性。在小角度非平衡条件下，可将身体近似成整个刚体结构，骨盆、脖颈及手臂等关节的活动对于平衡的恢复影响微乎其微，近似为零。这样将人体近似为一级倒立摆模型。由于θ非常小，sinθ≈θ则Δ=h*sinθ≈h*θ。而人体中枢神经系统仿真可以由PID控制实现，由PID控制输出相应的扭矩作用于脚踝，实现对身体的控制。从而使人体平衡整个模型大为简化。

3、平衡过程动力学建模

3.1 SimMechanics简介

SimMechanics是一个以Simulink为基础，用于对刚体系统进行运动学和动力学建模仿真的工具。SimMechanics利用模块框图的建模环境来对刚体机构运动进行设计和仿真，可以设定构件的各种特性，如可能的运动，运动约束，坐标系统，还可以初始化和测量机构系统的运动。

3.2 模型搭建

使用SimMechanics 工具箱对人体刚体建立仿真物理模型，并设置模块参数、机械环境、仿真参数，SimMechanics 。

4、动力学仿真

4.1 仿真参数设置

编写m文件，设置身高（H）、体重（M）、重心（G）、转动惯量（T）以及偏移的角度（n）等参数，其中G=0.53*H； 人体平均半径通过密度公式计算的出为 r=sqrt（M/（pi*h*1000））；

T=diag（[（3*r^2+H^2）/12，（3*r^2+H^2）/12，H^2/2]）*M； n一般取±5°以内。

仿真时打开m文件及模型文件，根据不同的测试者，在文件中只需改动身高（H）、体重（M）及角度（n）参数即可。PID控制器的参数设置中小波分析的结论，正常人体调节时间为3-5s，得出最接近的pid参数分别为Kp=40，Ki=0.0001，Kd=2.5。

4.2 仿真结果

4.3 结果分析

根据不同的人体参数，其恢复平衡的响应曲线也不同（图1），个高体重（b）的人在恢复平衡的调节时间要比个低体轻（a）的人的调节时间长，其超调相应的也大；初始偏移平衡位置角度大的（e）恢复平衡相应与（a）较慢；但所有曲线在恢复平衡的过程上是一致的。

5、结语

运用基于SimMechanics方法，从人体控制平衡机理出发，对神经系统和运动系统都进行了仿真，可以根据小幅度改变偏移角度来演示人体重心波动情况。另一方面，该模型参数可根据实际人体的体重、身高进行方便调整。通过与实际人体重心波动数据的比较，证明了该方法的可行性与合理性。

参考文献

[1]徐海晶，张怡，冯春.基于simmechanics的可调整机构设计.机械设计与制造，2006.9.

[2]肖金壮，齐佳龙，王洪瑞.基于小波分析的人体平衡指标提取方法研究.中国生物医学工程学报，2012.8.