关键词:
跌倒模型
跌倒实验
关节角度
特征值
支撑装置
摘要:
随着人口老龄化社会的到来,老年人的健康问题受到越来越多的关注。由于老年人身体机能的不断衰退,很容易发生跌倒,故跌倒成为老年人受伤甚至死亡的重要原因之一。跌倒给老年人带来严重的生理和心理伤害,给社会和家庭带来严重负担,老年人跌倒的问题受到国内外机构和学者的广泛关注。本文以老年人跌倒为研究对象,采用人体跌倒仿真和人体跌倒实验相结合的方式,探究了向前跌倒和向后跌倒模式下关节屈曲和伸展的变化情况,通过稳定性分析确定了安全的人体姿态,并构想了一种防跌倒支撑装置。本文研究了某地区上千例老年人跌倒病例,通过分析跌倒环境、跌倒方式、受伤性质和受伤部位确定了老年人的跌倒机制:老年人在跌倒时很难使用手和手臂来采取有效的跌倒保护措施。以该跌倒机制为基础,建立了三刚体人体跌倒动力学模型和动力学方程,参考老年人的人体惯性参数和关节力矩,得到了方程的各项参数。采用了欧拉法进行数值求解,确定了人体各关节的约束范围和倒地时的碰撞冲量计算方法。通过MATLAB软件模拟了不同初始姿态下老年人跌倒的过程,分别探究了小腿初始姿态、躯干初始姿态和膝关节完全伸展时对老年人向前跌倒和向后跌倒的影响,分析了跌倒过程中关节屈曲和伸展的变化情况和各种跌倒模式的危险程度。向前跌倒时,膝关节屈曲,髋关节伸展,且跌倒碰撞地面的部位为膝盖,当躯干前倾超过一定角度时,可能会变成头部碰撞。向后跌倒时,膝关节和髋关节都发生屈曲,与地面碰撞部位为臀部。根据仿真结果,总结了三种向前跌倒的初始姿态和三种向后跌倒的初始姿态。搭建了基于Open Pose人体姿态估计的跌倒实验环境和系统,设计了跌倒的实验方案,由于跌倒实验的危险性,让年轻受试者模拟老年人的方式跌倒。通过跌倒实验的关节角度数据,分析了上述六种初始姿态下跌倒的关节屈曲和伸展的变化情况和跌倒的危险程度,总结了跌倒时膝关节和髋关节角度的变化特征,验证了仿真结果。将踝关节、膝关节和髋关节视为扭转弹簧,建立了无阻尼自由振动微分方程,通过特征值分析确定了人体不发生跌倒的安全姿态,分析了前文六种初始姿态下模型的特征值和固有振型。构想了一种防跌倒支撑装置,确定了各扭转弹簧所需的刚度,分析了支撑装置下模型的特征值和固有振型。探究了各关节对稳定性的影响程度,发现髋关节只需较小力矩就可以使人体保持稳定,踝关节则需要较大力矩。