專利名稱：關(guān)節(jié)力和關(guān)節(jié)力矩的反饋估計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及人體運(yùn)動(dòng)分析，或者更確切地說，在前向動(dòng)力學(xué)模擬中使用非線性反饋來分析關(guān)節(jié)力和關(guān)節(jié)力矩。
背景技術(shù)：
在人體運(yùn)動(dòng)研究中，一般使用逆動(dòng)力學(xué)分析來估計(jì)關(guān)節(jié)力和關(guān)節(jié)力矩。在現(xiàn)有的逆動(dòng)力學(xué)分析中，通過觀察部分動(dòng)作來計(jì)算關(guān)節(jié)力和關(guān)節(jié)力矩。因?yàn)槿梭w關(guān)節(jié)的內(nèi)力不容易被測量，所以逆動(dòng)力學(xué)分析一般用于生物力學(xué)問題。不過，部分動(dòng)作可以被測量，而且關(guān)節(jié)角可以從測量的位移量來得到，以決定相應(yīng)的關(guān)節(jié)力和力矩。
在人體運(yùn)動(dòng)研究中使用逆動(dòng)力學(xué)的一個(gè)麻煩是由計(jì)算高階導(dǎo)數(shù)來計(jì)算關(guān)節(jié)力和關(guān)節(jié)力矩所引起的誤差。如果輸入信號(hào)沒有噪聲而且動(dòng)力學(xué)模型很完美，則在生物力學(xué)中就會(huì)發(fā)展出較好的使用逆動(dòng)力學(xué)概念的方法。不過，實(shí)驗(yàn)觀察是不完美的，并受到噪聲的污染。噪聲源包括測量設(shè)備和關(guān)節(jié)自身。用于計(jì)算關(guān)節(jié)力矩的逆動(dòng)力學(xué)方法需要計(jì)算實(shí)驗(yàn)觀察的高階導(dǎo)數(shù)。特別的，角加速度項(xiàng)是關(guān)節(jié)角的二階導(dǎo)數(shù)，線性加速度是質(zhì)心加速度(center of mass acceleration)的二階導(dǎo)數(shù)。實(shí)驗(yàn)觀察的數(shù)值微分放大了噪聲。當(dāng)考慮計(jì)算速度和加速度問題時(shí)，高頻噪聲的存在是非常重要的。每個(gè)諧波的幅度隨著諧波數(shù)的增加而增加速度線性地增大，且加速度與諧波數(shù)的平方成比例地增加。例如具有高頻噪聲ω的信號(hào)的二階微分能夠?qū)е戮哂笑?頻率分量的信號(hào)。該拋物線噪聲放大的結(jié)果是錯(cuò)誤的關(guān)節(jié)力和關(guān)節(jié)力矩計(jì)算。
盡管有對(duì)噪聲進(jìn)行濾波的技術(shù)，但濾波是困難和費(fèi)時(shí)的，這是因?yàn)閺脑肼曋袇^(qū)分出生物力學(xué)數(shù)據(jù)中的真實(shí)信號(hào)需要大量的分析。例如，低通濾波通常用于降低高頻噪聲。然而，低通濾波的困難在于選擇最優(yōu)切斷頻率fc。因?yàn)闆]有選擇最優(yōu)濾波參數(shù)的通用解決方案，濾波技術(shù)經(jīng)常產(chǎn)生不可靠的結(jié)果。
已經(jīng)提出了基于優(yōu)化的方法來估計(jì)關(guān)節(jié)力和關(guān)節(jié)力矩，而沒有與執(zhí)行傳統(tǒng)逆動(dòng)力學(xué)分析有關(guān)的誤差。不象逆動(dòng)力學(xué)，基于優(yōu)化的方法不需要數(shù)值微分。然而，基于優(yōu)化解決方案的應(yīng)用是受限的，這是因?yàn)樵摲椒ㄊ怯?jì)算密集型的、不保證收斂、并且通常實(shí)施起來太復(fù)雜。
使用逆動(dòng)力學(xué)來分析人類運(yùn)動(dòng)的另一個(gè)問題是逆技術(shù)缺乏預(yù)測新穎運(yùn)動(dòng)行為的能力。在逆動(dòng)力學(xué)中，力和力矩是從觀察的響應(yīng)中計(jì)算的。新穎運(yùn)動(dòng)的預(yù)測涉及計(jì)算從應(yīng)用力和力矩中期望的響應(yīng)。逆動(dòng)力學(xué)分析缺乏預(yù)測能力，這是因?yàn)榱土厥怯?jì)算出來的，而不是從應(yīng)用那些力和力矩的期望響應(yīng)。
因此，所需的是一個(gè)計(jì)算上有效的系統(tǒng)和方法，它們(1)用于估計(jì)關(guān)節(jié)力和關(guān)節(jié)力矩，而沒有因?yàn)楦唠A導(dǎo)數(shù)而產(chǎn)生的誤差；(2)不需要閉式和整體的分析；以及(3)用于預(yù)測人體運(yùn)動(dòng)的行為。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提出了對(duì)人體關(guān)節(jié)負(fù)載的估計(jì)。關(guān)節(jié)負(fù)載包括作用于關(guān)節(jié)的力和力矩。前向動(dòng)力學(xué)模塊通過運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程的數(shù)值積分(或模擬)來決定運(yùn)動(dòng)學(xué)。誤差校正控制器使得在從前向模擬中獲得的運(yùn)動(dòng)學(xué)與所測量到的(或理想的)運(yùn)動(dòng)學(xué)之間的跟蹤誤差趨近于零。誤差校正控制器產(chǎn)生一種修正加速度，用于輸入到逆動(dòng)力學(xué)模塊。在實(shí)例中，修正加速度表示的值不由所測量到的(或理想的)運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)的二階導(dǎo)數(shù)來決定。因此，當(dāng)將估計(jì)的關(guān)節(jié)負(fù)載應(yīng)用于前向動(dòng)力學(xué)模塊時(shí)，估計(jì)的關(guān)節(jié)負(fù)載就會(huì)跟蹤所測量到的(或理想的)運(yùn)動(dòng)學(xué)，而不會(huì)有因?yàn)橛?jì)算噪聲運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)的高階導(dǎo)數(shù)而產(chǎn)生的誤差。
在另一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)用于平面序列鏈接系統(tǒng)的關(guān)節(jié)負(fù)載進(jìn)行了迭代估計(jì)。在迭代方法中，這種估計(jì)是從片段的序列鏈第一個(gè)端點(diǎn)開始的，并且是朝著序列鏈第二個(gè)端點(diǎn)來計(jì)算關(guān)節(jié)負(fù)載的。鏈中的片段通過關(guān)節(jié)被連接在一起，并且在關(guān)節(jié)處的反作用力和力矩為兩個(gè)相連的片段所共享。為第一個(gè)片段所估計(jì)的關(guān)節(jié)負(fù)載被用在對(duì)下一個(gè)片斷的估計(jì)中，直到到達(dá)目標(biāo)關(guān)節(jié)。也就是說，迭代的輸出為在下一個(gè)片段的連接點(diǎn)處的力和力矩計(jì)算結(jié)果。這個(gè)輸出用作為下一個(gè)片段分析的輸入。因此，迭代方法不需要為整個(gè)人體的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行建模。盡管在特殊情況下，對(duì)整個(gè)人體動(dòng)力學(xué)進(jìn)行建模是可取的，但是該迭代方法所提供的靈活性能夠減少誤差源。
迭代實(shí)施例包括開鏈估計(jì)和閉鏈估計(jì)。開鏈系統(tǒng)受到一端環(huán)境的約束，而余下的終端片段是自由的。閉鏈系統(tǒng)與環(huán)境相接觸的端點(diǎn)不止一個(gè)。鏈接系統(tǒng)的片段按照迭代的順序進(jìn)行編號(hào)，從片段1直到片段n，即最后一個(gè)目標(biāo)片段。在多體系統(tǒng)中，片段n不必是最后一個(gè)片段。片段n表示要中止迭代計(jì)算的那個(gè)片段，這樣我們就得到了想要的力和力矩。為了初始化迭代，需要在第一個(gè)片段上有力和力矩作用。例如，在人體運(yùn)動(dòng)分析中，一般測量出足底的地面反作用力，以此來初始化迭代方程。地面反作用力的使用提高了在接近地面的關(guān)節(jié)處的關(guān)節(jié)負(fù)載估計(jì)的準(zhǔn)確性。
在又另一個(gè)實(shí)施例中，將本發(fā)明的跟蹤系統(tǒng)應(yīng)用于閉式動(dòng)力學(xué)。無約束剛體系統(tǒng)的閉式系統(tǒng)方程是用n階微分方程來描述的。類似于這里講述的迭代實(shí)施例，使用了控制法則來線性化和去耦系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。
下面將參考附圖，詳細(xì)講述本發(fā)明的進(jìn)一步特征，它的性質(zhì)以及它的各種優(yōu)勢。


附圖作為組成本說明書的一部分，圖示了符合本發(fā)明的若干個(gè)實(shí)施例，并且結(jié)合講述，可用于解釋本發(fā)明的原理。
圖1解釋了如何使用迭代計(jì)算將上半部分人體動(dòng)力學(xué)和下半部分人體動(dòng)力學(xué)分開。
圖2是在開鏈的平面序列鏈接系統(tǒng)中作用于多個(gè)片段的力的自由體圖。
圖3是序列鏈接系統(tǒng)中的一個(gè)片段的自由體圖。
圖4是用于鏈接片段i的跟蹤系統(tǒng)的框圖。
圖5是用于鏈接片段i的跟蹤系統(tǒng)的框圖，用于解釋誤差校正控制器的進(jìn)一步細(xì)節(jié)。
圖6是一個(gè)流程圖，用于解釋迭代跟蹤過程。
圖7是一個(gè)自由體圖，用于解釋一個(gè)三片段的二維系統(tǒng)。
圖8A～8C圖示了使用小的反饋增益和忽略掉加速度的圖7中的踝關(guān)節(jié)的位移的跟蹤準(zhǔn)確性。
圖9A～9C圖示了使用小的反饋增益和忽略掉加速度的圖7中的膝關(guān)節(jié)的位移的跟蹤準(zhǔn)確性。
圖10A～10C圖示了使用小的反饋增益和忽略掉加速度的圖7中的膝關(guān)節(jié)的力和力矩的跟蹤準(zhǔn)確性。
圖11A～11C圖示了使用小的反饋增益和忽略掉加速度的圖7中的髖關(guān)節(jié)的力和力矩的跟蹤準(zhǔn)確性。
圖12A～12C圖示了使用小的反饋增益和包括加速度的圖7中的踝關(guān)節(jié)的位移的跟蹤準(zhǔn)確性。
圖13A～13C圖示了使用小的反饋增益和包括加速度的圖7中的膝關(guān)節(jié)的位移的跟蹤準(zhǔn)確性。
圖14A～14C圖示了使用小的反饋增益和包括加速度的圖7中的膝關(guān)節(jié)的力和力矩的跟蹤準(zhǔn)確性。
圖15A～15C圖示了使用小的反饋增益和包括加速度的圖7中的髖關(guān)節(jié)的力和力矩的跟蹤準(zhǔn)確性。
圖16A～16C圖示了使用大的反饋增益和忽略掉加速度的圖7中的踝關(guān)節(jié)的位移的跟蹤準(zhǔn)確性。
圖17A～17C圖示了使用大的反饋增益和忽略掉加速度的圖7中的膝關(guān)節(jié)的位移的跟蹤準(zhǔn)確性。
圖18A～18C圖示了使用大的反饋增益和忽略掉加速度的圖7中的膝關(guān)節(jié)的力和力矩的跟蹤準(zhǔn)確性。
圖19A～19C圖示了使用大的反饋增益和忽略掉加速度的圖7中的髖關(guān)節(jié)的力和力矩的跟蹤準(zhǔn)確性。
圖20A～20C圖示了使用大的反饋增益和包括加速度的圖7中的踝關(guān)節(jié)的位移的跟蹤準(zhǔn)確性。
圖21A～21C圖示了使用大的反饋增益和包括加速度的圖7中的膝關(guān)節(jié)的位移的跟蹤準(zhǔn)確性。
圖22A～22C圖示了使用大的反饋增益和包括加速度的圖7中的膝關(guān)節(jié)的力和力矩的跟蹤準(zhǔn)確性。
圖23A～23C圖示了使用大的反饋增益和包括加速度的圖7中的髖關(guān)節(jié)的力和力矩的跟蹤準(zhǔn)確性。
圖24圖示了圖7中的踝關(guān)節(jié)的位移的跟蹤誤差。
具體實(shí)施例方式
下面參考附圖來講述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其中引用數(shù)字表示相同或功能上相類似的部件。另外在圖中，每一個(gè)引用數(shù)字的最左邊一位數(shù)字對(duì)應(yīng)于第一次使用該引用數(shù)字的附圖。
圖1解釋了如何使用迭代計(jì)算將上半部分人體動(dòng)力學(xué)和下半部分人體動(dòng)力學(xué)分開的。示圖中包括上半部分人體105和下半部分人體110。上半部分人體105的片段上帶有負(fù)載140。下半部分人體110包括的片段有踝關(guān)節(jié)120，膝關(guān)節(jié)125和髖關(guān)節(jié)130。在用于計(jì)算關(guān)節(jié)力和力矩的迭代方法中，上半部分人體105和下半部分人體110可以分別進(jìn)行建模。從地面反作用力115開始，人體能夠從上半部分人體105中有效地孤立出下半部分人體110的關(guān)節(jié)120、125和130以及相關(guān)的鏈接片段參數(shù)。也就是說，可以估計(jì)出作用于關(guān)節(jié)120、125和130的內(nèi)力和力矩，而不用考慮因上半部分人體105的負(fù)載140或身體參數(shù)，如質(zhì)量、質(zhì)心、慣量和片段長度等，所產(chǎn)生的影響。當(dāng)使用閉式和整體的動(dòng)力學(xué)程序時(shí)，上半部分人體105中的這些參量的不確定性是人體的內(nèi)力和力矩估計(jì)誤差的重要來源。與閉式、整體的解決方案相對(duì)照的是，迭代方案的實(shí)施例使用了對(duì)地面反作用力115的測量作為約束因子來迭代地計(jì)算關(guān)節(jié)力矩，該力矩來自于地面，并且朝向，例如，膝關(guān)節(jié)125和髖關(guān)節(jié)130。
使用迭代方法來估計(jì)關(guān)節(jié)力和力矩的優(yōu)勢是能夠集中于目標(biāo)關(guān)節(jié)而不會(huì)引入額外的誤差源。進(jìn)而，用于測量地面反作用力115的迭代方法作為輸入量，例如，提供了額外的感測特征。也就是說，將運(yùn)動(dòng)學(xué)和反作用力信息結(jié)合起來，可以提供一種額外的提示，該提示增加了內(nèi)力估計(jì)結(jié)果的可靠性。人體可受到不可預(yù)測的負(fù)載或與環(huán)境中的其他物體或其他人的相互作用而產(chǎn)生受約束的動(dòng)力學(xué)。這種環(huán)境可以改變用于估計(jì)關(guān)節(jié)處的內(nèi)力和力矩的動(dòng)力學(xué)表示。有些在這種環(huán)境下使用迭代方法的應(yīng)用包括進(jìn)行挺舉操作的生物力學(xué)研究和開發(fā)用于身體殘疾者在日常生活中對(duì)輔助設(shè)備的控制方法。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員都知道鞋內(nèi)力和壓力感測設(shè)備作為輔助技術(shù)，可以用于提供額外的感測特征，用于各種力和力矩估計(jì)中。
A.用于二維序列鏈系統(tǒng)的迭代方法本發(fā)明的實(shí)施例可用于包括迭代開鏈和迭代閉鏈在內(nèi)的平面系統(tǒng)。在開鏈系統(tǒng)中，多數(shù)情況下，多體系統(tǒng)的一端與環(huán)境相接觸，而另一端或其他端是自由端，不受約束。在閉鏈系統(tǒng)中，不止一端與環(huán)境相接觸。
圖2圖示的是一個(gè)在開鏈的平面序列鏈接系統(tǒng)中作用于多個(gè)片段的自由體作用力。該系統(tǒng)包括第一個(gè)片段205，第二個(gè)片段210，以及第n個(gè)片段215。片段205、210和215通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)鏈接到一起。片段205、210和215中的每一個(gè)在圖中都作為自由體，其中第一個(gè)關(guān)節(jié)220、第二個(gè)關(guān)節(jié)222、第三個(gè)關(guān)節(jié)224，以及第n個(gè)關(guān)節(jié)226分別與這些片段相連。第一個(gè)片段205包括第一個(gè)關(guān)節(jié)220和第二個(gè)關(guān)節(jié)222。第二個(gè)片段210包括第二個(gè)關(guān)節(jié)222和第三個(gè)關(guān)節(jié)224。特別是，片段205和210是這樣相連的第二個(gè)關(guān)節(jié)222將第一個(gè)片段205和第二個(gè)片段210鏈接起來。因此，通過n個(gè)片段的共有或重疊關(guān)節(jié)將這些片段連接起來，就形成了具有n個(gè)片段的序列鏈。
對(duì)于關(guān)節(jié)220、222、224和226中的每一個(gè)而言，在每一個(gè)關(guān)節(jié)處的關(guān)節(jié)力矩、水平方向的反作用力、以及垂直方向的反作用力在圖中分別用τi、Fi和Gi來表示。例如，對(duì)于第一個(gè)關(guān)節(jié)220，關(guān)節(jié)力矩為τ1，水平反作用力為F1，垂直反作用力為G1。下面參考圖2，講述一個(gè)迭代計(jì)算的實(shí)例。在迭代計(jì)算中，多體系統(tǒng)在概念上被分成多個(gè)片段，對(duì)每個(gè)片段的自由體圖進(jìn)行分析。這些片段通過關(guān)節(jié)，例如，關(guān)節(jié)222，連接到一起。例如，在第二個(gè)關(guān)節(jié)222上的反作用力和力矩為第一個(gè)片段205和第二個(gè)片段210所共用。分析工作從第一個(gè)片段205開始，這里計(jì)算了在第二個(gè)片段210的連接點(diǎn)處(即，第二個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)222)的力和力矩。所計(jì)算得到的在第二個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)222上的力和力矩作為第一次迭代的輸出。該輸出用作為分析下一個(gè)片段，例如，片段210的輸入。對(duì)這些片段的迭代分析繼續(xù)到完成對(duì)第n個(gè)片段215的分析。第n個(gè)片段215是目標(biāo)片段，即是期望結(jié)束迭代計(jì)算的片段。在地面反作用力115(圖1)作用于第一個(gè)片段205這樣的實(shí)施例中，根據(jù)作用于第一個(gè)關(guān)節(jié)220上的力和力矩來計(jì)算出作用于第二個(gè)關(guān)節(jié)222上的力和力矩。接下來，根據(jù)前面計(jì)算出來的作用于第二個(gè)關(guān)節(jié)222上的力和力矩來計(jì)算出作用于第三個(gè)關(guān)節(jié)224上的力和力矩。這種使用動(dòng)力學(xué)計(jì)算的輸出結(jié)果作為輸入來進(jìn)行下一次計(jì)算的迭代過程重復(fù)進(jìn)行，直到得出這些目標(biāo)關(guān)節(jié)的力和力矩。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員都知道在多體系統(tǒng)中第n個(gè)片段215不一定是最后一個(gè)片段。相反，第n個(gè)片段215表示期望終止迭代計(jì)算的片段，以便能夠得到目標(biāo)力和力矩。需要進(jìn)一步指出的是，地面反作用力115作用于接觸點(diǎn)，但不一定是在關(guān)節(jié)處。下面將參考圖3來講述有關(guān)計(jì)算的進(jìn)一步細(xì)節(jié)。
圖3圖示的是一個(gè)在序列鏈接系統(tǒng)中一個(gè)片段的自由體。人體片段305表示平面序列鏈接系統(tǒng)的第i個(gè)片段，諸如在圖2中所示的系統(tǒng)。人體片段i包括關(guān)節(jié)i(310)和關(guān)節(jié)i+1(315)。對(duì)于獨(dú)立的人體片段i，其中i＝1...n，質(zhì)心的加速度為 相對(duì)于垂直方向的關(guān)節(jié)角為θi，角加速度為 如圖3所示，人體片段i的物理參數(shù)為質(zhì)量mi，慣量力矩Ii，片段長度li，以及到質(zhì)心的長度ki。另外，圖3還為每一個(gè)關(guān)節(jié)310和315示出了關(guān)節(jié)力矩τi，水平向反作用力Fi，以及垂直向反作用力Gi。用于計(jì)算人體片段i的關(guān)節(jié)310和315的力和力矩的牛頓-歐拉方程如下面的方程1、方程2和方程3所示。
mix··i=Fi=Fi+1---(1)]]>miy··i=Gi-Gi+1-mig---(2)]]>Iiθ··i=-Fikicos(θi)+Gikisin(θi)-Fi+1(li-ki)cos(θi)+]]>(3)Gi+1(li-ki)sin(θi)+τi-τi+1]]>本領(lǐng)域普通技術(shù)人員都知道方程1表示的是對(duì)作用于人體片段305上的力在x或水平方向上進(jìn)行求和。類似地，方程2表示的是對(duì)作用于人體片段305上的力在y或垂直方向上進(jìn)行求和。在方程2中，重力加速度用g來表示。方程3表示的是對(duì)作用于關(guān)節(jié)310和315上的角加速度進(jìn)行求和。
1.逆動(dòng)力學(xué)方法學(xué)在逆動(dòng)力學(xué)分析中，作用于關(guān)節(jié)上的力和力矩是從所測量到的或理想的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)而計(jì)算得到的。運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)包括質(zhì)心坐標(biāo)和關(guān)節(jié)角數(shù)據(jù)。在本發(fā)明的實(shí)施例中，用于計(jì)算每一個(gè)關(guān)節(jié)的力和力矩的迭代方案可以從如下面的方程4所示的牛頓-歐拉方程的壓縮形式(矩陣形式)而獲得。在方程4中，Ui＝[FiGiτi]T為一個(gè)矢量(經(jīng)過轉(zhuǎn)置)，其各個(gè)元素分別對(duì)應(yīng)于水平方向的力，垂直方向的力，以及作用于關(guān)節(jié)i(310)的力矩。作用于關(guān)節(jié)i+1(315)的力和力矩用Ui+1來表示。有關(guān)Ui和Ui+1的迭代方案的進(jìn)一步細(xì)節(jié)如下所述。
Miq··i=AiUi+1+BiUi+Pi---(4)]]>矢量qi＝[xiyiθi]T表示關(guān)節(jié)i的質(zhì)心坐標(biāo)和關(guān)節(jié)角。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員都知道方程4中的 表示的是qi的二階導(dǎo)數(shù)。方程4中各個(gè)元素的定義具體如下Mi=mi000mi000Ii]]>q··i=x··iy··iθ··i]]>Pi=0-mi0g]]>Ai=-1000-10-(li-ki)cos(θi)(li-ki)sin(θi)-1]]>Ui+1=Fi+1Gi+1τi+1]]>Bi=100010-kicos(θi)kisin(θi)1]]>Ui=FiGiτi]]>2.開鏈估計(jì)如上所述，開鏈系統(tǒng)的一端與環(huán)境相接觸。與環(huán)境相接觸的這一端被稱為受約束端。在本發(fā)明的實(shí)施例中，受約束端為人的腳，它與地面或其他支持界面相接觸。在一個(gè)實(shí)施例中，通過測量地面反作用力115(用Ui表示)來獲得運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，以提高內(nèi)力和力矩估計(jì)的準(zhǔn)確性。片段從地面開始向上被編號(hào)為從1到n，其中n是最后一個(gè)目標(biāo)片段。因此，牛頓-歐拉逆動(dòng)力學(xué)方法學(xué)利用了對(duì)足底的力和力矩的測量結(jié)果。將得到的U1作為片段1的邊界條件，片段i的力和力矩可以通過方程5，從片段1開始直至片段n一個(gè)接一個(gè)地獲得，其中i從1到n(i1→n)。在開鏈估計(jì)和將n作為鏈中的最后一個(gè)片段的情況下，沒有外力作用于片段n，因此Un+1＝0。
Ui+1-Ai-1[Miq··i-BiUi-Pi]---(5)]]>由于生物力學(xué)模型中的噪聲測量和誤差，自由片段的邊界條件一般不滿足。換句話說，在具有從片段1至自由片段(表示為n)進(jìn)行迭代過程的開鏈實(shí)施例中，Un+1不等于0。這種過分的確定性是通過向片段n添加殘留的力和力矩而得到解決的。利用迭代公式，并且將片段從1到n進(jìn)行編號(hào)，這樣做的好處是整體不需要進(jìn)行建模。力和力矩估計(jì)在片段n處完成的，根本不用考慮片段n是否是序列系統(tǒng)的最后一個(gè)片段。在進(jìn)行內(nèi)力和力矩的估計(jì)中，末端的參量不確定性和剛體模型的不確定性是誤差的重要來源。不過當(dāng)想要的只是接近于力平面的關(guān)節(jié)力矩時(shí)，末端的這些不確定性可以得到避免。
在另一個(gè)開鏈實(shí)施例中，只能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)測量。各個(gè)片段被標(biāo)以1至n等數(shù)字，其中片段1有一個(gè)自由端，而不是受約束端。由于片段1有自由端，可以將U1＝0作為迭代到片段n的邊界條件。
3.閉鏈估計(jì)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中執(zhí)行了閉鏈估計(jì)。如上所述，閉鏈系統(tǒng)不止一個(gè)終端與環(huán)境相接觸。在該實(shí)施例中，為了估計(jì)內(nèi)力和力矩，需要得到傳感器測量或其他初始力。各個(gè)片段從1至n按序列編號(hào)，其中n是最后一個(gè)目標(biāo)片段。片段1的傳感器測量或初始力表示為U1，其中U1不等于0，因?yàn)槠?的端點(diǎn)是受約束的。將得到的U1作為片段1的邊界條件，片段i的力和力矩可以通過方程5，從片段1開始直至片段n一個(gè)接一個(gè)地獲得，其中i從1到n(i1→n)。
B.使用非線性反饋的逆方案圖4圖示的是一個(gè)跟蹤系統(tǒng)用于鏈接片段i的框圖。誤差校正控制器405，逆動(dòng)力學(xué)模塊410，以及前向動(dòng)力學(xué)模塊415組合到一起形成一個(gè)跟蹤系統(tǒng)。誤差校正控制器405的輸入包括運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)qmi， 和 以及狀態(tài)變量qi和 在實(shí)施例中，需要有測量的或理想的運(yùn)動(dòng)學(xué)(qmi)和這些速度的估計(jì)值 估計(jì)的加速度 可用于沒有噪聲的應(yīng)用中，但是這里不做要求。誤差校正控制器405輸出修正的加速度 作為逆動(dòng)力學(xué)模塊410的輸入。逆動(dòng)力學(xué)模塊410具有額外的輸入U(xiǎn)i和qi。矢量Ui表示關(guān)節(jié)i處的力和力矩。逆動(dòng)力學(xué)模塊410的輸出為關(guān)節(jié)i+1處的力和力矩估計(jì)。前向動(dòng)力學(xué)模塊415的輸入包括Ui、Ui+1和qi。另外，估計(jì)的關(guān)節(jié)里和力矩Ui+1被用作為下一輪迭代的輸入，其中Ui對(duì)應(yīng)于增加因子i。在每次迭代實(shí)例中，Ui是輸入，Ui+1是輸出。前向動(dòng)力學(xué)模塊415輸出狀態(tài)變量qi和 前向動(dòng)力學(xué)模塊的參數(shù)(即，Ai、Mi、Bi和Pi)與逆動(dòng)力學(xué)參數(shù)一樣。
在實(shí)施例中，使用逆動(dòng)力學(xué)模塊410來估計(jì)關(guān)節(jié)力和力矩。方程6表示逆動(dòng)力學(xué)控制法則，該法則通過使用修正的加速度 來迭代計(jì)算Ui+1的關(guān)節(jié)負(fù)載信息。前向動(dòng)力學(xué)模塊415按照方程7來計(jì)算加速度，然后對(duì)加速度進(jìn)行數(shù)值積分，以獲得與關(guān)節(jié)I相關(guān)的狀態(tài)變量qi和 誤差校正控制器405使用狀態(tài)變量qi和 的反饋來產(chǎn)生修正的加速度 在實(shí)施例中，修正的加速度 表示沒有考慮測量的或理想的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)的二階導(dǎo)數(shù)而計(jì)算得到的值。誤差校正控制器405產(chǎn)生修正的加速度項(xiàng) 以便逆動(dòng)力學(xué)模塊410計(jì)算出一套由Ui+1表示的輸入或控制，當(dāng)將Ui+1用于前向動(dòng)力學(xué)模塊415時(shí)，會(huì)在實(shí)際上復(fù)制或跟蹤所測量的或理想的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)qmi。
Ui+1=Ai-1[Miq··i*-BiUi-Pi]---(6)]]>前向動(dòng)力學(xué)模塊415通過模擬過程根據(jù)計(jì)算的力和力矩得到狀態(tài)變量qi和 特別是，前向動(dòng)力學(xué)模塊415對(duì)方程7進(jìn)行數(shù)值積分，以便得到對(duì)應(yīng)于所施加的關(guān)節(jié)負(fù)載信息Ui+1的位置和速度矢量。在一個(gè)實(shí)施例中，可以使用從麻省Natick市的MathWorks公司購買的MATLAB軟件，通過積分函數(shù)來進(jìn)行數(shù)值積分。本專業(yè)的一般熟練技術(shù)人員都知道可以有多種方法進(jìn)行積分，例如，Runge Kutta方法。狀態(tài)變量qi和 被輸入到誤差校正控制器405，通過計(jì)算得到當(dāng)前時(shí)刻的修正的加速度 從初始條件qi(0)開始，一直到終端為止，誤差校正控制器405使得在模擬的運(yùn)動(dòng)學(xué)和測量的(或理想的)運(yùn)動(dòng)學(xué)之間的跟蹤誤差趨近于零。
q··i=Mi-1[AiUi+1+Biui+Pi]---(7)]]>本領(lǐng)域普通技術(shù)人員都知道上面所述的方程、表達(dá)式、模塊或函數(shù)都可在多用途計(jì)算機(jī)、專用計(jì)算機(jī)或硬件上實(shí)現(xiàn)。在實(shí)施例中，軟件可編程多用途計(jì)算機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明的各項(xiàng)特性。軟件最好分布在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上，其中包括一些編程指令。計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)包括，例如，計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)容量。計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)容量可以通過公共計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、私有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)或因特網(wǎng)來獲得。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員都知道程序指令可以為諸如源代碼、目標(biāo)代碼或腳本代碼等任何合適的形式。
圖5圖示的是一個(gè)跟蹤系統(tǒng)用于鏈接片段i的框圖，用于解釋誤差校正控制器的進(jìn)一步細(xì)節(jié)。在圖示的實(shí)施例中，誤差校正控制器405中包括有實(shí)現(xiàn)方程8的各個(gè)模塊，其中參數(shù)Kpi表示位置的反饋增益，參數(shù)Kvi表示速度的反饋增益。微分模塊510經(jīng)過配置能夠根據(jù)模擬和測量的(理想的)運(yùn)動(dòng)學(xué)產(chǎn)生出誤差值ei(在方程12中有定義)和導(dǎo)數(shù)誤差值 在誤差校正控制器405中，誤差值ei與位置反饋增益Kpi相乘，導(dǎo)數(shù)誤差值 與速度反饋增益Kvi相乘，以生成修正的加速度 參數(shù)Kpi和Kvi在方程9和方程10中定義為控制著方程1、方程2和方程3的常數(shù)對(duì)角線矩陣。
q··i*=aq··mi+Kvi(q·mi-q·i)+Kpi(qmi-qi)---(8)]]>Kpi=kps000kpy000kpθ---(9)]]>Kvi=kvx000kvy000kvθ---(10)]]>
包含的參數(shù)a用于研究在模擬中有加速度(a＝1)和沒有加速度(a＝0)兩種情況分別有什么效果。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員都知道，當(dāng)參數(shù)a等于0時(shí)，運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)的二階導(dǎo)數(shù)和估計(jì)的加速度項(xiàng) 在方程8中被忽略掉。因此，在這種情況下，只有修正的加速度 用于跟蹤系統(tǒng)中。不使用噪聲運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)的二階導(dǎo)數(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于能夠提高力和力矩估計(jì)的準(zhǔn)確度。
圖6是一個(gè)流程圖，用于解釋迭代跟蹤過程。對(duì)于具有n個(gè)片段的序列鏈接系統(tǒng)，i的初始值從1開始。如上所述，n表示最后一個(gè)目標(biāo)片段，例如，迭代的終止點(diǎn)。處理過程從步驟605開始。片段i的測量的或理想的運(yùn)動(dòng)學(xué)是在步驟610獲得的。如上所述，片段i的關(guān)節(jié)被標(biāo)上i和i+1。接下來，使用如上所述的反饋結(jié)構(gòu)的實(shí)施例，在步驟615將關(guān)節(jié)i的修正加速度 計(jì)算出來。在步驟620執(zhí)行逆動(dòng)力學(xué)分析，獲得關(guān)節(jié)i+1的力和力矩。在i＝1的迭代實(shí)例中，關(guān)節(jié)1的反作用力/力矩將U1作為步驟620的輸入。在其他i≠1而且i+1＜n的迭代實(shí)例中，將關(guān)節(jié)i+1的關(guān)節(jié)負(fù)載信息(用連續(xù)矢量Ui+1來表示)在下一個(gè)迭代實(shí)例中作為下一個(gè)人體片段的輸入U(xiǎn)i。在步驟625，將Ui+1用于前向動(dòng)力學(xué)分析，以獲得關(guān)節(jié)i的模擬運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)。這個(gè)過程在步驟630判定是否需要額外的迭代。如果i+1＝n，則控制繼續(xù)執(zhí)行到步驟635，然后迭代結(jié)束，否則，i的值在步驟640中遞增1，并且控制返回到步驟605，這里另一輪迭代實(shí)例開始為下一個(gè)人體片段執(zhí)行跟蹤處理。
C.新穎運(yùn)動(dòng)的前向預(yù)測在本發(fā)明的實(shí)施例中，由前向動(dòng)力學(xué)模塊所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)模擬方程可以用于預(yù)測新穎運(yùn)動(dòng)。來自所估計(jì)的關(guān)節(jié)負(fù)載(包括力和力矩)的模擬運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)表示的是片段的位置和速度數(shù)據(jù)。因此，響應(yīng)于所用的力和力矩，前向動(dòng)力學(xué)模塊經(jīng)過配置后能夠模擬人體片段的新穎運(yùn)動(dòng)。
可以改變前向模型中的各種參數(shù)，并且可以觀察到這種改變對(duì)于模擬響應(yīng)的影響。例如，在前向動(dòng)力學(xué)模塊415中改變諸如質(zhì)量、慣量、長度和質(zhì)心等片段參數(shù)將影響其運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)。這種預(yù)測能力可以讓我們研究前向動(dòng)力學(xué)模塊415對(duì)物理參數(shù)改變的敏感性。
D.誤差動(dòng)力學(xué)這里使用方程6所述的非線性反饋控制法則，在實(shí)施例中作為跟蹤系統(tǒng)，對(duì)關(guān)節(jié)力矩和力的估計(jì)問題進(jìn)行了講述。為了展示跟蹤性能，思考一下閉環(huán)誤差動(dòng)力學(xué)是很有幫助的。參考圖5，逆動(dòng)力學(xué)模塊Ui+1的輸出表示方程6的控制法則。如果將該控制法則用于前向動(dòng)力學(xué)模塊(在方程4中進(jìn)行置換)，則可以獲得方程11的閉環(huán)關(guān)系。方程12將ei定義為測量的運(yùn)動(dòng)學(xué)qmi與模擬的狀態(tài)變量qi之間的誤差，其中qi是通過在前向動(dòng)力學(xué)模塊415中進(jìn)行積分而得到的。若干情況下的誤差動(dòng)力學(xué)如下所述。
aq··mi=q··i+Kvi(q·mi-q·i)+Kpi(qmi-qi)=0---(11)]]>ei＝qmi-qi(12)1.包括加速度a＝1在進(jìn)行完善的測量和數(shù)值微分為零誤差的理想狀況下，閉環(huán)誤差動(dòng)力學(xué)的定義如微分方程13所示。
e··i+Kviei+KPi=0---(13)]]>狀態(tài)變量qi的誤差動(dòng)力學(xué)可以由特征值的分配所單獨(dú)控制。假設(shè)λ1和λ2表示方程13的特征值。方程14提出了關(guān)鍵性的衰減方案，即，特征值為實(shí)數(shù)且相等，則沒有正弦振蕩。這個(gè)方案得到的是最快的非振蕩性響應(yīng)。
e(t)=c1eλ1t+c2teλ2t---(14)]]>用以獲得重要的衰減響應(yīng)的Kp和Kv之間的關(guān)系如方程15所示。
Kv=2Kp---(15)]]>
在實(shí)施例中，在特征值為100的情況下能夠獲得正確的跟蹤和計(jì)算時(shí)間。小的反饋增益和大的反饋增益兩種情況下的模擬結(jié)果參考圖8～23如下所述。
2.不考慮加速度a＝0設(shè)定a＝0，假設(shè)以此忽略掉從所測量的運(yùn)動(dòng)學(xué)中估計(jì)的加速度。閉環(huán)誤差動(dòng)力學(xué)的表達(dá)如異構(gòu)微分方程16所示。
e··i+Kvie·i+Kpi=q··mi---(16)]]>盡管方程16的解包含有作用力項(xiàng)，假定加速度項(xiàng) 為邊界條件，則通過將方程16的特征值指定為具有負(fù)數(shù)或?qū)嵅糠?，可以將誤差收斂為0。正像前面將誤差包括進(jìn)來一樣，使用方程15所給出的關(guān)系式可以正確地為關(guān)鍵性的衰減響應(yīng)分配反饋增益。
3.整合微分估計(jì)誤差在上述誤差公式中，假定了能夠通過對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行微分來準(zhǔn)確地計(jì)算得到導(dǎo)數(shù)項(xiàng) 和加速度項(xiàng) 的確，在對(duì)噪聲運(yùn)動(dòng)學(xué)測量進(jìn)行數(shù)值微分所產(chǎn)生的誤差無法忽略，而且應(yīng)該在下面的公式中得到考慮。
設(shè)εv和εa分別表示速度和加速度計(jì)算中的邊界誤差。估計(jì)值 和 的表達(dá)如方程17所示q·^mi=q·mi+ϵv---(17)]]>q··^mi=q·mi+ϵa]]>整合了導(dǎo)數(shù)估計(jì)誤差的閉環(huán)動(dòng)力學(xué)如方程18所示。
aq··^mi-q··i+Kvi(q·^mi-q·i)+Kpi(qmi-qi)=0---(18)]]>將方程17代入方程18，則得到方程19。
aq··mi-q··i+Kvi(q·mi-q·i)+Kpi(qmi-qi)=-(aϵa+Kviϵv)---(19)]]>
誤差動(dòng)力學(xué)在a＝0和a＝1的情況下分別如下面的方程20和方程21所示。
e··i+Kvie·i+Kpi=-Kviϵv+q··mia=0---(20)]]>e··i+Kvie·i+Kpi=-(ϵa+Kviϵv)a=1---(21)]]>E.閉式系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)在進(jìn)一步的實(shí)施例中，跟蹤系統(tǒng)能夠應(yīng)用于閉式動(dòng)力學(xué)。無約束剛體系統(tǒng)的閉式系統(tǒng)方程由n個(gè)如方程22的矩陣形式所示的微分方程組成。在方程22中，M對(duì)應(yīng)于質(zhì)量矩陣，P對(duì)應(yīng)于科里奧利力、離心力和重力項(xiàng)。輸入U(xiǎn)對(duì)應(yīng)于凈關(guān)節(jié)力矩。與這里講述的迭代實(shí)施例相類似，方程23的控制法則用于線性化和去耦系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。方程23的 項(xiàng)在方程24中有定義，其中Kp和Kv均為n×n的對(duì)角線矩陣，具有關(guān)鍵性的衰減響應(yīng)。
Mq··=U+P---(22)]]>U=Mq··*-P---(23)]]>q··*=aq··m+Kv(q·m-q·)+Kp(qm-q)---(24)]]>F.開鏈平面系統(tǒng)的模擬圖7是一個(gè)自由體圖，用于解釋一個(gè)三片段的二維開鏈系統(tǒng)。這三個(gè)片段包括人的脛705、股710和軀干715。假定踝關(guān)節(jié)720鉸鏈連接到地面。膝關(guān)節(jié)725將脛705和股710連接起來。髖關(guān)節(jié)730將股710和軀干715連接起來。下面通過模擬，展示了用于估計(jì)關(guān)節(jié)力和力矩的跟蹤系統(tǒng)的性能。所選的系統(tǒng)參數(shù)對(duì)于身高為1.7m和體重為74kg的一般男性來說比較典型。所模擬的動(dòng)作是關(guān)于踝關(guān)節(jié)720、膝關(guān)節(jié)725和髖關(guān)節(jié)730的蹲坐姿勢。目標(biāo)是將U1作為約束量，來開始迭代過程，并且迭代式地計(jì)算U2＝[F2G2τ2]T和U3＝[F3G3τ3]T。所需的關(guān)節(jié)力矩和力的矢量表示為U＝[u1u2u3]T。為了產(chǎn)生參考性拋物線，使用的是所記錄的執(zhí)行蹲坐動(dòng)作的一般男性的動(dòng)作。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員都知道如何使用現(xiàn)有技巧來捕獲和記錄蹲坐行為。每一個(gè)獨(dú)立片段的牛頓-歐拉運(yùn)動(dòng)方程如下面的方程25～33所示。
1.片段1脛705m1x··1=F1-F2---(25)]]>m1y··1=G1-G2-m1g---(26)]]>I1θ··1=-F1k1cos(θ1)+G1k1sin(θ1)-F2(l1-k1)cos(θ1)+]]>(27)G2(l1-k1)sin(θ1)+u1-u2]]>2.片段2股710m2x··2=F2-F3---(28)]]>m2y··2=G2-G3-m2g---(29)]]>I2θ··2=-F2k2cos(θ2)+G2k2sin(θ2)-F3(l2-k2)cos(θ2)+]]>(30)G3(l2-k2)sin(θ2)+u2-u3]]>3.片段3軀干715m3x··3=F3---(31)]]>m3y··3=G3-m3g---(32)]]>I3θ··3=-F3k3cos(θ3)+G3k3sin(θ3)+u3---(33)]]>所設(shè)計(jì)的模擬方案將跟蹤系統(tǒng)的性能與傳統(tǒng)的逆動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行對(duì)比。輸入包括蹲坐姿勢以及地面反作用力的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)。在所述的模擬中，對(duì)跟蹤系統(tǒng)的性能考察集中在兩種情況當(dāng)包括加速度估計(jì)值時(shí)(在圖5中，a＝1)，以及當(dāng)忽略掉加速度估計(jì)值時(shí)(在圖5中，a＝0)。為了保持一致性，假設(shè)地面反作用力測量是理想的，而且是經(jīng)過分析獲得的。如上所述，經(jīng)過分析計(jì)算的地面反作用力矢量U1＝[F1G1τ1]T是通過使用迭代方程從軀干715開始直到地面為止而獲得的。使用U1作為約束量，通過迭代估計(jì)得到U2和U3。對(duì)產(chǎn)生臨界衰減響應(yīng)的兩套不同的反饋增益矩陣進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果如圖8～23所示。
在如圖8～15所示的模擬中，使用的是方程34的小的反饋增益值。為了揭示的方便，已經(jīng)對(duì)參考關(guān)節(jié)的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行了平滑處理。如上面所述，包括加速度估計(jì)值的做法一般是不可取的，因?yàn)槟鎰?dòng)力學(xué)分析需要計(jì)算導(dǎo)致誤差結(jié)果的高階導(dǎo)數(shù)。圖8～11中的每一個(gè)點(diǎn)劃線對(duì)應(yīng)于模擬的跟蹤準(zhǔn)確度，其中忽略掉了想要的加速度(a＝0)。在圖8和圖9這兩幅位移圖表，以及圖10和圖11這兩幅力和力矩圖表中，當(dāng)忽略加速度時(shí)，使用小的反饋增益的模擬結(jié)果顯示出較差的跟蹤性能。如圖12～15所示，當(dāng)包括想要的加速度時(shí)(a＝1)，跟蹤性能和所估計(jì)的關(guān)節(jié)力矩非常地好。
Kp=Kv=100010001---(34)]]>與圖8～11形成對(duì)照，圖16～19所示的模擬結(jié)果取得了優(yōu)秀的跟蹤性能。在這些模擬中，增加了反饋增益，以便能夠改善在忽略想要的加速度的情況下(a＝0)的模擬結(jié)果。方程35和36設(shè)定反饋增益參數(shù)。在圖16和圖17這兩幅位移圖表，以及圖18和圖19這兩幅力和力矩圖表中，在排除掉加速度估計(jì)值的情況下(a＝0)，表示模擬跟蹤準(zhǔn)確度的每一條點(diǎn)劃線，基本上與參考數(shù)據(jù)無法區(qū)分開來。圖中所示的關(guān)節(jié)力和力矩的非線性反饋估計(jì)的實(shí)施例效果明顯，并不需要，例如，噪聲測量數(shù)據(jù)的高階導(dǎo)數(shù)。
Kp=160000016000001600---(35)]]>Kv=800008000080---(36)]]>圖24示出了圖7中的踝關(guān)節(jié)位移的跟蹤誤差。在圖中，當(dāng)包括想要的加速度時(shí)(a＝1)，點(diǎn)劃線對(duì)應(yīng)于平均跟蹤誤差的絕對(duì)值。當(dāng)不包括加速度估計(jì)值時(shí)(a＝0)，實(shí)線對(duì)應(yīng)于平均跟蹤誤差的絕對(duì)值。對(duì)于Kp中的每一個(gè)值，計(jì)算出了在想要的角度和模擬的角度之間的平均跟蹤誤差校(在整個(gè)模擬期間)。對(duì)于每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，計(jì)算出平均誤差的絕對(duì)值來生成圖形。在所解釋的排除加速度估計(jì)值(a＝0)的例子中，隨著Kp值的增加，踝關(guān)節(jié)720的位移量的平均跟蹤誤差收斂至0。這里沒有專門來解釋其他角度和狀態(tài)的平均跟蹤誤差，因?yàn)楸绢I(lǐng)域普通技術(shù)人員會(huì)知道那樣將產(chǎn)生類似的結(jié)果。
本發(fā)明可以以許多種形式來體現(xiàn)，并且不應(yīng)該被理解為只局限于這里所舉出的若干實(shí)施例。相反，所提供的這些實(shí)施例只是為了使本文所公開的東西更為完整和充分地向本領(lǐng)域普通技術(shù)人員傳遞本發(fā)明的意圖。例如，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將會(huì)知道這里所述的跟蹤系統(tǒng)和方法可以擴(kuò)展到三維系統(tǒng)。進(jìn)而，現(xiàn)有的肌力分布方法可以嵌入到，例如，前向動(dòng)力學(xué)模塊415(圖4)中。肌力分布模塊的輸出能夠驅(qū)動(dòng)前向模擬。另外一種情況是，肌力分布模塊能夠引發(fā)逆動(dòng)力學(xué)模塊410的輸出，并且不用在前向模擬中。
進(jìn)而，所講述的設(shè)備和方法不局限于剛體。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員都知道，本發(fā)明的原理可以應(yīng)用到其他以方程22為特征的系統(tǒng)中。反饋估計(jì)的實(shí)施例跟蹤來自由數(shù)據(jù)集的二階微分所主導(dǎo)的系統(tǒng)的數(shù)據(jù).
前面已經(jīng)講述了關(guān)節(jié)力和力矩(只作解釋用，但不局限于此)的優(yōu)選的反饋估計(jì)實(shí)施例，值得注意的是，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在以上所述的范圍內(nèi)，可以對(duì)其進(jìn)行任何修改。因此可以認(rèn)為，允許對(duì)這里所公開的本發(fā)明的特定的實(shí)施例進(jìn)行任何改變，只要不脫離如本文所附的權(quán)利要求書及其等價(jià)物所定義的本發(fā)明的精神和主旨范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于確定系統(tǒng)中的目標(biāo)關(guān)節(jié)的估計(jì)的關(guān)節(jié)負(fù)載的方法，該方法包括如下步驟獲取系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)；至少使用運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)來計(jì)算修正加速度；執(zhí)行逆動(dòng)力學(xué)分析以確定估計(jì)的關(guān)節(jié)負(fù)載，其中逆動(dòng)力學(xué)分析至少使用修正加速度；以及使用估計(jì)的關(guān)節(jié)負(fù)載執(zhí)行前向動(dòng)力學(xué)分析，來確定系統(tǒng)的模擬運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)包括質(zhì)心坐標(biāo)和關(guān)節(jié)角。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，通過迭代地估計(jì)連續(xù)的關(guān)節(jié)負(fù)載直到到達(dá)目標(biāo)關(guān)節(jié)，逆動(dòng)力學(xué)分析確定目標(biāo)關(guān)節(jié)的估計(jì)的關(guān)節(jié)負(fù)載。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括獲得系統(tǒng)的輸入力，其中逆動(dòng)力學(xué)分析至少使用修正加速度和輸入力。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，輸入力包括地面反作用力和力平面測量的至少一個(gè)。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，還包括使用輸入力來估計(jì)緊鄰的關(guān)節(jié)負(fù)載；以及重復(fù)進(jìn)行估計(jì)，直到緊鄰的關(guān)節(jié)為目標(biāo)關(guān)節(jié)。
7.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，輸入力作用于系統(tǒng)的片段的接觸點(diǎn)上。
8.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，輸入力包括內(nèi)力和內(nèi)力矩的至少一個(gè)。
9.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，輸入力包括關(guān)節(jié)力矩。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，計(jì)算修正加速度的步驟進(jìn)一步包括計(jì)算誤差值，該誤差值表示模擬運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)之間的差異；以及將反饋增益應(yīng)用于誤差值。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，反饋增益包括位置反饋增益和速度反饋增益的至少一個(gè)。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，執(zhí)行前向動(dòng)力學(xué)分析的步驟進(jìn)一步包括進(jìn)行積分以確定模擬運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，計(jì)算修正加速度的步驟還使用模擬運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)的反饋。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，執(zhí)行逆動(dòng)力學(xué)分析的步驟還使用模擬運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)的反饋。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，執(zhí)行前向動(dòng)力學(xué)分析的步驟還使用模擬運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)的反饋。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括如下步驟至少使用運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)來計(jì)算第二修正加速度；至少使用第二修正加速度和估計(jì)的關(guān)節(jié)負(fù)載來執(zhí)行逆動(dòng)力學(xué)分析，以確定第二估計(jì)的關(guān)節(jié)負(fù)載；以及使用第二估計(jì)的關(guān)節(jié)負(fù)載執(zhí)行前向動(dòng)力學(xué)分析，以確定系統(tǒng)的第二模擬運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)。
17.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，將反饋增益應(yīng)用于誤差值包括確定獲得臨界衰減響應(yīng)的反饋增益；以及將反饋增益應(yīng)用于誤差值。
18.一種用于確定系統(tǒng)中的目標(biāo)關(guān)節(jié)的估計(jì)的關(guān)節(jié)負(fù)載的設(shè)備，該設(shè)備包括誤差校正控制器，用于至少使用運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)來計(jì)算修正加速度；逆動(dòng)力學(xué)模塊，用于至少使用修正加速度來確定估計(jì)的關(guān)節(jié)負(fù)載；以及前向動(dòng)力學(xué)模塊，用于至少使用估計(jì)的關(guān)節(jié)負(fù)載來確定系統(tǒng)的模擬運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)。
19.如權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其中，誤差校正控制器包括微分模塊，用于從模擬運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)中產(chǎn)生誤差值，并且其中誤差校正控制器用于通過將反饋增益應(yīng)用于誤差值來確定修正加速度。
20.如權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其中，反饋增益包括位置反饋增益和速度反饋增益的至少一個(gè)。
21.如權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其中，在第一個(gè)迭代實(shí)例中的估計(jì)的關(guān)節(jié)負(fù)載被耦合到第二個(gè)迭代實(shí)例的輸入力。
22.如權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其中，誤差校正控制器接收模擬運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)作為反饋。
23.如權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其中，逆動(dòng)力學(xué)模塊接收模擬運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)作為反饋。
24.如權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其中，前向動(dòng)力學(xué)模塊接收模擬運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)作為反饋。
25.如權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其中，前向動(dòng)力學(xué)模塊進(jìn)行積分，以確定模擬運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)。
26.如權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其中，逆動(dòng)力學(xué)模塊用于至少使用修正加速度和系統(tǒng)的輸入力來確定目標(biāo)關(guān)節(jié)的估計(jì)的關(guān)節(jié)負(fù)載。
27.如權(quán)利要求26所述的設(shè)備，其中的輸入力包括地面反作用力和力平面測量的至少一個(gè)。
28.如權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其中，通過迭代地估計(jì)連續(xù)的關(guān)節(jié)負(fù)載直到到達(dá)目標(biāo)關(guān)節(jié)，逆動(dòng)力學(xué)模塊用于確定目標(biāo)關(guān)節(jié)的估計(jì)的關(guān)節(jié)負(fù)載。
29.如權(quán)利要求26所述的設(shè)備，其中，輸入力作用于系統(tǒng)的片段的接觸點(diǎn)。
30.如權(quán)利要求26所述的設(shè)備，其中，輸入力包括內(nèi)力和內(nèi)力矩的至少一個(gè)。
31.如權(quán)利要求26所述的設(shè)備，其中，輸入力包括關(guān)節(jié)力矩。
32.如權(quán)利要求19所述的設(shè)備，還包括確定獲得臨界衰減響應(yīng)的反饋增益。
33.一種用于確定系統(tǒng)中的關(guān)節(jié)的估計(jì)的關(guān)節(jié)負(fù)載的方法，該方法包括如下步驟獲取系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)；至少使用運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)來計(jì)算修正加速度，其中不使用從測量的運(yùn)動(dòng)學(xué)估計(jì)的加速度來計(jì)算修正加速度；執(zhí)行逆動(dòng)力學(xué)分析以確定估計(jì)的關(guān)節(jié)負(fù)載，其中逆動(dòng)力學(xué)分析至少使用修正加速度；以及使用估計(jì)的關(guān)節(jié)負(fù)載執(zhí)行前向動(dòng)力學(xué)分析，來確定系統(tǒng)的模擬運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)。
34.如權(quán)利要求33所述的方法，還包括確定系統(tǒng)的輸入力，其中，逆動(dòng)力學(xué)分析還使用輸入力來確定估計(jì)的關(guān)節(jié)負(fù)載。
35.如權(quán)利要求34所述的方法，其中，輸入力包括地面反作用力。
36.如權(quán)利要求33所述的方法，其中，計(jì)算修正加速度的步驟還包括如下步驟計(jì)算誤差值，該誤差值表示模擬運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)之間的差異；以及將反饋增益應(yīng)用于誤差值。
37.一種用于確定系統(tǒng)中的關(guān)節(jié)的估計(jì)的關(guān)節(jié)負(fù)載的設(shè)備，該設(shè)備包括誤差校正控制器，用于至少使用運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)來計(jì)算修正加速度，其中不使用從測量的運(yùn)動(dòng)學(xué)估計(jì)的加速度來計(jì)算修正加速度；逆動(dòng)力學(xué)模塊，用于至少使用修正加速度來確定估計(jì)的關(guān)節(jié)負(fù)載；以及前向動(dòng)力學(xué)模塊，用于至少使用估計(jì)的關(guān)節(jié)負(fù)載來確定系統(tǒng)的模擬運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)。
38.如權(quán)利要求37所述的設(shè)備，其中，誤差校正控制器包括微分模塊，用于從模擬運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)中產(chǎn)生誤差值，并且其中誤差校正控制器用于通過將反饋增益應(yīng)用于誤差值來確定修正加速度。
39.如權(quán)利要求38所述的設(shè)備，還包括確定獲得臨界衰減響應(yīng)的反饋增益。
全文摘要
本文提出了一種設(shè)備和方法，用于估計(jì)人體的關(guān)節(jié)力和力矩。前向動(dòng)力學(xué)模塊決定著模擬的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)。誤差校正控制器使得模擬的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)和測量的(或理想的)運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)之間的跟蹤誤差校正控制器趨近于零。誤差校正控制器生成修正的加速度，用于輸入到逆動(dòng)力學(xué)模塊。估計(jì)的關(guān)節(jié)力和力矩跟蹤測量的(或理想的)運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，而不具有由于計(jì)算噪聲運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)的高階導(dǎo)數(shù)而產(chǎn)生的誤差。
文檔編號(hào)A61B5/103GK101088460SQ20071011025
公開日2007年12月19日 申請(qǐng)日期2002年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月29日
發(fā)明者貝赫扎德·大流士 申請(qǐng)人:本田技研工業(yè)株式會(huì)社