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哈尔滨工程大学学报 2021年第10期42卷 1527-1534页

作者：黄其涛李博文刘华健哈尔滨工业大学机电工程学院黑龙江哈尔滨150001

针对传统被动式踝足假肢不具备主动出力功能,不能很好地满足下肢截肢患者需求的问题,本文提出了一种基于电液直驱系统的全主动液压驱动踝足假肢系统,并研究其对于下肢截肢患者行走步态的影响。该系统采用无刷直流伺服电机、双向齿轮泵... 详细信息

针对传统被动式踝足假肢不具备主动出力功能,不能很好地满足下肢截肢患者需求的问题,本文提出了一种基于电液直驱系统的全主动液压驱动踝足假肢系统,并研究其对于下肢截肢患者行走步态的影响。该系统采用无刷直流伺服电机、双向齿轮泵、液压缸作为核心驱动部件,通过基于神经肌肉模型的前馈控制器实时拟合踝关节阻抗特性,实现踝关节的主动柔顺和主动出力功能。仿真结果表明:与传统被动假肢相比,该系统可以很好地拟合人体踝关节的动态特性,能够在行走过程中提供合适的缓冲和动力,能够有效地改善截肢患者的行走步态。

关键词：动力踝足假肢电液直驱系统神经肌肉模型阻抗控制行走步态

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动力踝足假肢运动模式识别与控制研究

动力踝足假肢运动模式识别与控制研究

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作者：贾飞哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

目前全球有超过六百万的下肢截肢患者,佩戴假肢是辅助截肢患者恢复基本行走能力回归正常生活的关键,现如今市面上主流的假肢大多为被动式,不具备主动出力,这将导致截肢患者要额外消耗30%的能量才能实现正常行走。因此,采用主动式假肢来... 详细信息

目前全球有超过六百万的下肢截肢患者,佩戴假肢是辅助截肢患者恢复基本行走能力回归正常生活的关键,现如今市面上主流的假肢大多为被动式,不具备主动出力,这将导致截肢患者要额外消耗30%的能量才能实现正常行走。因此,采用主动式假肢来取代被动式,可使患者在获得基本行走能力的同时更加省力。电液直驱系统所具备的高功率密度、高效率、高度紧凑的优点使其广泛应用于航空航天的泵控伺服系统中,本文旨在利用电液直驱技术特有的优势特点设计一款主动式踝足假肢,满足膝下截肢患者的需求帮助其恢复行走能力。本文从健全人体的踝关节特性出发,对平地行走状态下一个完整的步态周期内踝关节的运动学和生物力学特性进行分析,通过步态相位划分进行分段研究。利用采集的平地行走、上下楼梯、上下坡五种运动模式下踝关节的运动学数据作为训练样本,通过机器学习选取包含K最临近(KNN)、线性判别分析(LDA)、BP神经网络和支持向量机(SVM)在内的四种模式识别算法对样本进行训练和识别,实现踝足假肢运动模式识别,训练结果表明四种算法下运动模式识别的准确率均可达到95%以上。本文在模式识别的基础上依据步态相位划分为五种运动模式下踝足假肢的运动设计控制系统,支撑相和摆动相分别采用有限状态阻抗控制器和位置控制器来还原健全人体踝关节的阻抗特性,仿真结果显示所设计的控制系统可以很好的还原健全人体踝关节在不同运动模式下角度同扭矩之间的映射关系。本文完成了动力踝足假肢实验系统装置的搭建,通过空载台架实验对踝足假肢运动学特性进行分析,实验结果显示在摆动相假肢具备良好的位置跟踪性能。设计了一款辅助穿戴设备用于膝下踝足假肢的穿戴实验,通过行走实验验证了模式识别系统的准确性并选取BP神经网络算法作为主要运动模式识别算法,通过穿戴实验验证了有限状态阻抗控制器的合理性,帮助截肢患者最大程度还原平地行走过程。

关键词：动力踝足假肢电液直驱系统运动模式识别有限状态机阻抗控制

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基于电液直驱的智能动力踝足假肢系统研究

基于电液直驱的智能动力踝足假肢系统研究

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作者：刘华健哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

世界范围内有数百万人遭受着下肢截肢的折磨,而现今的医学发展不足以再生肢体,因此使用踝足假肢是膝下截肢患者恢复基本的行动能力的必要手段。现有商业化的踝足假肢大多是被动的,通过弹性或阻性原件提供基本的支撑、小幅度的储能和适... 详细信息

世界范围内有数百万人遭受着下肢截肢的折磨,而现今的医学发展不足以再生肢体,因此使用踝足假肢是膝下截肢患者恢复基本的行动能力的必要手段。现有商业化的踝足假肢大多是被动的,通过弹性或阻性原件提供基本的支撑、小幅度的储能和适应能力,但不具备净功输出,与健全人体的踝关节功能相去甚远。人体的踝关节集缓冲、平衡、出力等功能于一身,生物领域的研究结果表明,踝关节主动出力功能的缺失会迫使穿戴被动假肢的截肢患者通过一系列的补偿运动来补偿脚跟着地时损失的动能,以达到稳定的行走速度。其结果就是截肢患者要消耗额外30%左右能量才能达到与健全人相同的步速,并且单侧截肢患者的步态也会发生畸变,严重影响其生活质量。电液直驱系统是广泛应用于航空航天领域的泵控液压伺服系统,具有高功率密度、高效率、结构紧凑等优点。本文的研究旨在利用电液直驱系统的优势和特点研制一款动力踝足假肢,能够较大程度地还原健全踝足肢体的各项功能,以满足膝下截肢患者的需求,恢复其正常的行走能力。本文从健全人体在平地行走时下肢的运动学和生物力学特性出发,根据踝关节在一个步态周期内所表现出的差异特性,以步态相位划分的方式进行分段研究。利用预采集的人体关节生物力学样本,通过ADAMS平台仿真还原了平地行走,并以此为基础探究了踝关节在人体行走过程中同身体间的交互和运动机理,提炼出踝足假肢所必须具备的功能和技术指标。本文以无刷直流伺服电机和双向齿轮泵为电液直驱动力核心,基于仿生学原理对动力踝足假肢进行了系统设计,包括但不仅限于碳纤维足弓、集成液压缸、液压阀块以及人工跟腱设计,并依托Simulink平台对系统进行了整体建模,作为仿真实验的基础。通过对人体踝关节所属肌肉、骨骼和局部神经反射的建模、本文设计了基于神经肌肉前馈模型的踝足假肢控制系统,其能够在基于有限状态机的上位控制器的调配下还原健全人体踝关节的阻抗特性,构建踝关节角度同扭矩间的映射关系。系统整体的仿真实验结果表明,所设计的动力踝足假肢系统能够极大程度地复现健全踝关节的非线性阻抗特性,实现有效的净功率输出,显著改善截肢患者的行走步态。

关键词：动力踝足假肢电液直驱系统神经肌肉模型分层控制生物动力学

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