多肌肉束协同控制系统设计与算法研究

作     者：岳军齐 

作者单位：河南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：卞平艳

授予年度：2020年

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 0835[工学-软件工程] 0836[工学-生物工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：膝关节 屈曲运动 空间直线 多电机 协同控制 

摘      要：膝关节因其重要性、复杂性和特殊性一直是人们研究的难点和热点,而屈曲运动是膝关节的重要运动,因此对膝关节屈曲运动的研究具有重要意义。膝关节作为人体重要部位,对其进行试验将耗费大量人力物力,为此,设计一种能够对膝关节进行体外实验的装置具有重要的意义及应用价值。本文主要研究内容如下。设计了一种模拟人体膝关节屈曲运动装置,由三束肌肉作为股四头肌牵引膝关节,且采用非同步加载方式控制。设计了装置的运动控制系统,以VC++为平台开发了屈曲运动控制上位机软件,以Arduino开源控制卡为下位机开发了控制程序,实现了装置的运动控制,数据采集,状态显示等。设计了多肌肉束协同控制算法,提出了一种区域判别法,定义了区域判别式,用以生成空间直线,并把空间直线理论应用在三台步进电机的协同控制中,把肌肉束的移动与步进电机的脉冲进行转换,实现了多肌肉束协同控制,以及肌肉束间的延时加载。该算法判别式均为整数,计算简单,能够避免因保留小数有效数位引起的与理论直线偏离的问题。最后,采用MATLAB对算法进行了验证分析,结果显示,采用本文算法生成的空间直线每一步选择点均为距离理论点最近的整数点,得出了误差曲线以及误差在单元格表面的分布情况,所有选择点的误差均在最大理论误差之内,验证了算法的合理性。对装置进行了运动测试,实现了装置的膝关节屈曲运动。