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主被动踝关节假肢力/位混合控制研究

华东理工大学学报（自然科学版） 2018年第2期44卷 283-288页

作者：吕荣安曹恒朱钧陈志青华东理工大学机械与动力工程学院上海200237

为了满足小腿截肢患者的运动需求,根据踝关节在人体步态周期中的生物力学特性,结合已有的研究基础和实验条件,研制了第一代主被动混合驱动的踝关节假肢样机。通过对样机仿生运动的分析和运动模型的建立,提出了一种基于有限状态机的力/... 详细信息

为了满足小腿截肢患者的运动需求,根据踝关节在人体步态周期中的生物力学特性,结合已有的研究基础和实验条件,研制了第一代主被动混合驱动的踝关节假肢样机。通过对样机仿生运动的分析和运动模型的建立,提出了一种基于有限状态机的力/位混合伺服控制系统,采用PID和模糊PID两种控制算法对假肢运动进行Matlab仿真和角度控制实验。实验结果表明,该假肢样机可以得到类似人体运动的踝关节角度-力矩曲线,并且模糊PID算法控制输出的曲线更加符合人体特性,从而验证了样机设计的合理性和控制方案的可行性,为进一步实现样机的应用提供了依据。

关键词：踝关节假肢串联弹簧执行器有限状态机力/位混合控制模糊PID

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基于电静液作动原理的主动式踝关节假肢设计

液压与气动 2019年第1期43卷 26-31页

作者：王兴坚李如飞林长宏方菁王少萍北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191

踝关节假肢作为人体医学假肢的重要组成部分,按其作用原理分为被动式假肢、半主动式假肢和带有主动驱动的主动式假肢。主动式踝关节假肢具备主动驱动能力,同时通常包含能够产生弹性以及形成能量反馈的机构,可以显著地改善截肢患者的行... 详细信息

踝关节假肢作为人体医学假肢的重要组成部分,按其作用原理分为被动式假肢、半主动式假肢和带有主动驱动的主动式假肢。主动式踝关节假肢具备主动驱动能力,同时通常包含能够产生弹性以及形成能量反馈的机构,可以显著地改善截肢患者的行走舒适性。根据人体生物力学分析,提出了主动式踝关节假肢的总体方案,设计了基于电静液作动原理的主动式踝假肢驱动系统,设计了假肢整体机械结构,并完成了假肢整体的力学性能与运动学仿真。相对于传动的机电系统或液压系统驱动的主动式踝关节假肢而言,采用电静液作动器驱动的主动式踝关节假肢具有功率密度高、噪声低和状态切换快速平滑等优势。

关键词：踝关节假肢主动式假肢电静液作动行走步态

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一种主动型踝关节假肢设计及动力学分析

现代制造工程 2019年第3期 115-120页

作者：沈培韩亚丽朱松青陈茹雯张猛吴振宇南京工程学院机械工程学院南京211167

设计了一种平衡可控变刚度主动型踝关节假肢,通过调节弹簧的预紧力,实现不同行走模式下的变刚度运动。首先采用Motion Analysis步态分析系统进行人体行走步态实验的研究,获得踝关节行走过程中的关节角度及关节力矩,为踝关节假肢设计提... 详细信息

设计了一种平衡可控变刚度主动型踝关节假肢,通过调节弹簧的预紧力,实现不同行走模式下的变刚度运动。首先采用Motion Analysis步态分析系统进行人体行走步态实验的研究,获得踝关节行走过程中的关节角度及关节力矩,为踝关节假肢设计提供理论依据;其后,进行踝关节假肢机构方案分析,利用电动机带动曲柄摇杆机构,并组合弹簧进行踝关节假肢的机构设计;最后,采用ADAMS软件进行踝关节假肢虚拟样机仿真,研究不同刚度系数对踝关节假肢运动输出的影响,仿真结果表明踝关节假肢有较好的动力输出效果,并通过实验验证了机构设计的合理性。

关键词：踝关节假肢步态分析方案分析运动仿真

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动力踝关节假肢设计与仿真

制造业自动化 2014年第11期36卷 40-42,64页

作者：冉洋冰曹恒朱钧华东理工大学机械与动力工程学院上海200237

介绍了踝关节假肢的发展现状,为了达到人体理想的行走步态,对一个周期内的步态过程进行了研究,设计了一种具有主动驱动力源的踝关节假肢模型,整个机构采用串联弹性驱动系统和并联弹性板辅助来模拟步态整个周期运动过程。通过使用Solidwo... 详细信息

介绍了踝关节假肢的发展现状,为了达到人体理想的行走步态,对一个周期内的步态过程进行了研究,设计了一种具有主动驱动力源的踝关节假肢模型,整个机构采用串联弹性驱动系统和并联弹性板辅助来模拟步态整个周期运动过程。通过使用Solidworks、ANSYS和ADAMS软件的虚拟样机联合仿真,进行了一个步态周期内的踝关节假肢的仿真过程,结果表明该踝关节假肢模型能够实现正常的步态运动,并能够得到类似正常人体行走的踝关节角度和角速度曲线,验证了机构的可行性。

关键词：踝关节假肢虚拟样机技术动力学联合仿真

动力踝关节假肢的运动意图识别与控制策略研究

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动力踝关节假肢的运动意图识别与控制策略研究

作者：姜恺宁河北工业大学

学位级别：硕士

动力下肢假肢是补偿下肢截肢患者运动能力的有效工具,与被动假肢相比可以根据穿戴者当前运动状态提供助力,使截肢者步态更接近于自然步态。踝关节假肢是膝上/膝下假肢的共有部件,所以,开展动力踝关节假肢的研究具有重要的社会意义与应... 详细信息

动力下肢假肢是补偿下肢截肢患者运动能力的有效工具,与被动假肢相比可以根据穿戴者当前运动状态提供助力,使截肢者步态更接近于自然步态。踝关节假肢是膝上/膝下假肢的共有部件,所以,开展动力踝关节假肢的研究具有重要的社会意义与应用价值。本文从实验数据的采集与处理、人体运动意图识别、假肢控制策略选取三个方面展开研究,主要内容如下:首先,采用DELSYS无线肌电系统采集小腿截肢者健肢小腿肌肉表面肌电信号(surface Electromyography,s EMG),同时将惯性传感器放置在假肢小腿与足部外侧后三分之一处。对采集信号进行处理得到消噪后s EMG和踝关节角度,与采集的加速度信号共同为后续设计人体运动意图识别算法奠定数据基础。其次,设计一种小腿截肢者运动意图识别方法。本文提出了一种基于改进Elman网络的识别模型,该网络在除了隐含层到原承接层的反馈外,增加了输出层到新的承接层的反馈。然后将s EMG信号与加速度信号作为改进Elman网络的输入量,训练网络识别下一时刻的假肢踝关节角度。仿真结果表明,该模型具有良好的识别效果,相对于基本Elman神经网络而言所识别踝关节运动轨迹更为准确,相关系数为0.95,可以为实现人机交互下的实时自主控制假肢提供参考。最后,提出一种基于虚拟参考反馈整定的无模型自适应准滑模控制方法。将踝关节假肢动力学系统离散化,并转化为动态线性化模型。在无模型自适应控制器基础上,引入虚拟参考反馈整定进行伪偏导数初值与重置值估计,然后针对动态线性化模型设计准滑模控制器,得到最终控制方案表达式。并通过Matlab-Adams联合仿真平台进行步态仿真,对所提出方法进行验证。本研究降低了控制器对于假肢模型先验知识的依赖,补偿未建模不确定性的影响。仿真结果显示与传统的无模型自适应控制方法相比,本文所提方法具有良好的跟随效果,实际输出踝关节角度与期望角度之间的误差较小。

关键词：踝关节假肢表面肌电信号运动意图识别无模型自适应控制滑模控制

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主被动踝关节假肢与控制方法试验研究

主被动踝关节假肢与控制方法试验研究

作者：吕荣安华东理工大学

学位级别：硕士

踝关节假肢是生物工程学和康复机器人领域中的热点课题,这种假肢可以有效的为小腿截肢患者补偿运动能力。在国家自然科学基金(91748110)和(51275170)的支持下,进行了对踝关节假肢的研究。为了使假肢具有正常人踝关节的行走特性,本课题... 详细信息

踝关节假肢是生物工程学和康复机器人领域中的热点课题,这种假肢可以有效的为小腿截肢患者补偿运动能力。在国家自然科学基金(91748110)和(51275170)的支持下,进行了对踝关节假肢的研究。为了使假肢具有正常人踝关节的行走特性,本课题开展了对人体行走过程中踝关节生物力学特性的分析,和对步态周期合理划分的研究,采用串联弹性执行器(SEA)和并联弹簧共同驱动的结构设计,研制了一种主被动混合驱动的踝关节假肢试验样机。根据人体踝关节的运动特性,提出了一种基于有限状态机和模糊PID的控制方案。通过对假肢的运动学分析,在MATLAB的Simulink环境中分别建立了角度与力矩控制仿真系统。在此基础上,研制了一套基于STM32F103单片机的控制器硬件结构与软件系统,实现了传感器信号的采集,控制算法的编程和电机的伺服控制。试验结果表明,试验样机的角度控制和有限状态机控制可以得到类似人体踝关节运动的角度曲线,并且根据传感器信息可以实现不同运动阶段之间的切换,基本满足截肢患者的运动需求。控制系统的仿真结果与样机的试验验证了样机结构设计的合理性和控制方案的可行性,为进一步实现样机的应用提供了依据。

关键词：踝关节假肢 SEA 有限状态机模糊PID 伺服控制

基于人体生物力学的低功耗踝关节假肢的设计与仿真

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智能城市 2017年第2期 287-287页

作者：宋宝建山东省假肢矫形康复中心

随着科学技术水平的不断提高,对于踝关节假肢的研究逐步深入,极大的便利了残疾人的生活。相比于国外,国内对于踝关节假肢的研究起步较晚,仍然存在着很多关键技术等待开发与完善。就目前来看,被动踝关节假肢主要存在着质量小。能耗低的有... 详细信息

随着科学技术水平的不断提高,对于踝关节假肢的研究逐步深入,极大的便利了残疾人的生活。相比于国外,国内对于踝关节假肢的研究起步较晚,仍然存在着很多关键技术等待开发与完善。就目前来看,被动踝关节假肢主要存在着质量小。能耗低的有点,然而由于踝关节假肢缺乏足够动力源,使得使用者在行走的过程之中运动轨迹不匹配;而主动踝关节假肢的质量较大、能耗也较高,因此使用者的舒适度较差。如何解决这一问题成为很多学者的研究对象,本文就以人体生物力学为依托,充分结合被动踝关节假肢与主动踝关节假肢的优势,对低功耗踝关节假肢的设计进行研究与分析。

关键词：人体生物力学低能耗踝关节假肢运动仿真

主被动混合液压踝关节动力假肢设计与控制研究

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主被动混合液压踝关节动力假肢设计与控制研究

作者：单绍鹏吉林大学

学位级别：硕士

因疾病、交通事故等原因,我国胫骨截肢患者逐年增多。目前,佩戴假肢是截肢患者普遍治疗方式,而被动假肢不具备主动助力功能,使佩戴者在行走过程中消耗更多能量。随着高功率电机、微型传感器、控制技术和计算机技术不断发展,人们开始对... 详细信息

因疾病、交通事故等原因,我国胫骨截肢患者逐年增多。目前,佩戴假肢是截肢患者普遍治疗方式,而被动假肢不具备主动助力功能,使佩戴者在行走过程中消耗更多能量。随着高功率电机、微型传感器、控制技术和计算机技术不断发展,人们开始对智能假肢进行深入研究,但目前优秀的踝关节假肢多为国外公司产品。为提高胫骨截肢患者行走能力,提高其生活质量,本课题在分析健康人体踝关节运动特性基础上,基于电液驱动技术,结合改进的控制算法,设计了一种主被动混合液压踝关节动力假肢,旨在帮助下肢截肢患者恢复行走能力。具体工作内容如下:首先,对健康人体踝关节运动学和力学特性进行了分析,总结运动特征,划分步态相位。根据人体运动特性提出了设计目标,进而确定踝关节假肢的驱动方式,完成了其电液驱动系统的设计,其中为实现假肢集成化和轻量化要求,采用单作用液压缸作为执行器,对液压系统进行了简化。之后,建立假肢机械结构模型,并对相关元件进行选型。其次,建立动力踝关节运动学数学模型、电机调速模型和液压系统模型,建立电液直驱系统仿真模型,分析系统可靠性并确定主要参数影响,对假肢电液系统进行仿真分析,分析结果表明,假肢运动满足角度跟随和扭矩输出需求,证明驱动系统的可行性和有效性。然后,设计了动力踝关节假肢系统控制策略,上层控制使用步态有限状态控制机,识别步态周期中踝关节运动状态,控制主、被动模式切换;下层控制使用基于遗传算法和BP神经网络优化的PID控制器,以提高控制器性能,并通过仿真分析,验证控制器的有效性。最后,组装、调试动力踝关节假肢实验样机,制定实验方法,对假肢进行台架实验和人体行走实验,实验结果表明高速开关阀所能调节的最大阻尼力约为770N,假肢角度跟随效果较优,电机扭矩输出约为人体的32%,验证了其液压系统阻尼调节能力和人体穿戴行走的功能性和可行性。

关键词：踝关节假肢液压驱动主被动混合有限状态机 PID控制