摘 要

随着军事工业的快速发展和人口的老龄化趋势，人们对负重外骨骼机器人的需求也逐渐增大。在军事方面，负重外骨骼机器人能够帮助军人搬运许多重型的武器；在医疗健康方面，负重外骨骼机器人又可以帮助老年人和下肢有运动障碍的人群解决行走问题。但是，负重外骨骼机器人在使用安全性上的一直存在着争议，它对跌倒的判断和处理问题上的研究还处于萌芽阶段。提高外骨骼机器人的安全性及评定其跌倒趋势成为了一项非常重要的研究方向。

本文针对外骨骼机器人的跌倒趋势，做以下三个方面的研究：

（1）从人体出发，研究跌倒的机理，对跌倒的原因、种类和伤害的部位进行分类。根据零力矩点和支撑多边形对跌倒的起因进行分析，并介绍伤害等级HIC。

（2） 通过不同的连杆模型研究人机系统跌倒的损伤程度，建立三维模型，运用ANSYS仿真软件进行分析，验证缓冲姿态的重要性。

（3）基于MPU6050设计出一个跌倒的检测系统，能够对跌倒的情况进行有效的预警，从而在跌倒已发生的情况下尽可能地保证使用者的安全。

关键词：外骨骼机器人、跌倒检测、运动仿真、MPU6050

Abstract

With the rapid development of the military industry and the aging of the population, the demand for weight-bearing exoskeleton robots has gradually increased. On the military side, the weight-bearing exoskeleton robot can help the military carry many heavy weapons; in terms of medical health, the weight-bearing exoskeleton robot can help the elderly and the lower limbs with movement disorders to solve the walking problem. However, the use of weight-bearing exoskeleton robots in the use of safety has been controversial, and its research on the judgment and treatment of falls is still in its infancy. Improving the safety of exoskeleton robots and assessing their fall trend has become a very important research direction.

In this paper, we focus on the following three aspects of the fall tendency of exoskeleton robots:

(1) Starting from the human body, study the mechanism of the fall, and classify the cause, type, and location of the fall. The cause of the fall is analyzed based on the zero moment point and the supporting polygon, and the damage level HIC is introduced.

(2) Study the damage degree of human-machine system fall through different linkage models, establish a three-dimensional model, and use ANSYS simulation software to analyze and verify the importance of buffer attitude.

(3) Based on the MPU6050, a fall detection system is designed to effectively warn of the fall, so as to ensure the safety of the user as much as possible in the event of a fall.

Keywords: exoskeleton robot, fall detection, motion simulation, MPU6050

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2本课题研究现状 1

1.3本文研究内容 4

1.4本章小结 4

第2章 跌倒机理研究 5

2.1引言 5

2.2跌倒的理论分析 5

2.2.1跌倒的分类 6

2.2.2跌倒的原因分析 6

2.3人机系统的跌倒机理 8

2.3.1零点矩点与支撑多边形 8

2.3.2跌倒对人体的损伤 9

2.4本章小结 9

第3章 人机摔倒的缓冲姿态研究 10

3.1引言 10

3.2人体连杆模型 10

3.2.1单杆模型 11

3.2.2双连杆模型 11

3.2.3三连杆模型 12

3.3连杆模型仿真分析 12

3.3.1跌倒模型的建立 12

3.3.2跌倒初始条件的确立 13

3.3.3跌倒的结果与分析 13

3.4跌倒的缓冲姿态 16

3.5本章小结 17

第4章 跌倒检测系统的设计 18

4.1引言 18

4.2系统整体设计 18

4.2.1主要元件 18

4.2.2算法设计 20

4.3实验测试 21

4.3.1数据采集 21

4.3.2阈值设置 21

4.4本章小结 21

第5章 全文总结与展望 22

5.1全文总结 22

5.2未来展望 22

致谢 23

参考文献 24

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

节肢动物的下肢给予了外骨骼机器人创造者们启发，坚硬的表皮和骨骼良好地支撑了它们的站立和行走 。科学家想通过这样的仿生器械来解决人类的一些困难，于是外骨骼机器人就应运而生了。外骨骼机器人与其它的工业机器人不同，是一种可穿戴的设备，它必须与人体结构高度相符。所以在其设计的过程中必须考虑到穿戴者的身高、体重、大小腿的长度及围度等多方因素，这样才能保证其可靠性和安全性。

负重外骨骼机器人是外骨骼机器人的一种，主要应用于军事及工业领域，其目的是减少人体在运输工业产品和军用武器时的负重，保证人体的安全和军事工业事业的高效。同样地，在医疗康复领域，外骨骼机器人也有着很重要的作用，它能帮助下肢有困难的人群完成行走^[1]。