人体下肢运动的双稳态高灵敏度测量方法研究

【作者】 曹军义； 王伟； 林京；

【机构】 西安交通大学机械工程学院机械制造系统工程国家重点实验室；

【摘要】 在人体行走过程中,双足交替运动,以一足(支撑足)为支点,另一足(运动足)绕髋部作近似圆周运动,此时髋部在向前运动,且膝关节有弯曲运动。运动足的运动可简单描述如下:足跟抬起,足部用力向下向后,推动人体向前移动;运动足离地,向前作加速运动;运动足膝部弯曲,防止足部接触地面;运动足继续前行;运动足减速,落地。可见,单足的运动是一个不断加速、减速、绕髋部和膝关节摆动的周而复始的一个过程。而在腿部的摆动过程中和运动足与地面接触的过程中,均有较大的冲击加速度。本文考虑人体下肢的运动特点,设计了一种双稳态压电传感器应用于人体运动信号采集,利用运动过程中小腿的摆动和与地面间的冲击产生的加速度使悬臂梁跨越势阱提高测量灵敏度。实验尝试设计了双稳态和线性单稳态、非线性单稳态进行对比,验证双稳态压电传感器应用于人体运动信号采集的优势。论文采用哈密顿原理建立了双稳态传感器的非线性动力学模型。基于人体腿部运动的振动特征设计了一种便携式无需供电的振动信号收集系统,可以实现线性、非线性单稳态和双稳态等动力学特征。利用采集的腿部运动振动信号进行了理论模型的数值仿真。人体不同运动状态的实验研究结果表明:双稳态压电传感器能够产生大幅度跨越势阱运动并俘获较大的信号,提高测量的灵敏度。更多还原