导　　师： 胡兆勇; 彭芳

授予学位： 硕士

作　　者： (）;

机构地区： 广东工业大学

摘　　要： 由意外工伤、交通事故、频繁自然灾害等导致截肢患者人数日益增多,膝关节假肢辅助医疗设备的需求量呈日益增长趋势。目前国内假肢多为被动型假肢,截肢患者穿戴时间过长易产生疲劳感,且被动型假肢难以跟随正常腿运动,导致行走步态不正常,对肢体残疾端骨骼磨损较大。能够提供主动力矩并且可以跟随正常腿运动的高性能膝关节假肢一直以来是下肢截肢患者迫切希望得到的辅助医疗器具,所以开发一款可以协调正常腿运动,并且价格实惠高性能主动型膝关节假肢产品极为必要。针对这些情况,文中建立了人体下肢关节力矩模型,设计膝关节串联弹性驱动器结构,并对人体行走步态轨迹的跟踪控制算法进行了研究,主要内容如下:(1)首先对人体下肢模型(大腿和小腿)进行了动力学分析。文中通过将人体下肢简化成二连杆机构,运用拉格朗日能量法对下肢髋关节和膝关节处驱动力矩进行动力学建模,建立了髋关节和膝关节驱动力矩与其关节处的运动角度,角速度和角加速度之间的等量关系,为后文膝关节力矩控制奠定理论基础。(2)在假肢动力输出端与执行端之间增加了一个弹性元件,弹性元件可以储存和释放能量,并起一定缓冲作用,使假肢具有一定仿生性,弹性元件产生的阻抗作用也能使佩戴者在行走过程中更加的舒适,这种结构在文中称为串联弹性驱动器(Series Elastic Actuator,简称SEA)。利用Creo2.0和Catia三维软件按照1:1的比例建立单腿模型,在Adams动力学软件中对假肢样机进行约束设置,对处于不同刚度下的假肢电机输出功率进行了仿真分析,仿真结果表明,当SEA弹簧刚度处于2.1E+05 N/m时,假肢电机输出功率最小。(3)为了方便对假肢进行轨迹跟踪控制算法研究,根据人体模型标准库,利用Creo2.0,CatiaV5R20软件创建穿戴有假肢样机的人体模型,并从Adams中导出人机混合模型,同时在Simulink中建立控制算法,对虚拟样机创建的模型进行控制,搭建这样一个联合仿真平台,利用三维步态捕捉仪,获取了人机混合模型的驱动数据和需要跟踪的期望轨迹。(4)动力型假肢需要对假肢动力源进行有效控制才能使其与健康侧腿协调运动,文中研究的动力型假肢使用的是直流电机驱动,通过控制假肢电机输入力矩大小驱动假肢的运动。文中通过搭建联合仿真实验控制平台,利用PID控制算法,线性滑膜控制算法对假肢在单腿模型控制下的轨迹进行跟踪控制,发现线性滑膜控制算法对不同步态轨迹具有较强的适应能力,且抗干扰能力强,收敛速度快;而在人机混合模型控制方法研究中,主要对比研究了RBF神经网络自适应控制策略和基于时延的快速终端滑膜控制策略,发现后者的轨迹跟踪误差在多数时间内比前者小5°左右,可以实现人机混合模型的行走控制。最后,文中搭建了实验控制平台,对假肢单腿模型控制算法进行了实验验证,跟踪误差在15°范围内,轨迹跟踪误差较大。误差较大主要原因是假肢样机本体零件之间存在相对滑动、齿轮传动存在间隙和控制器算法参数值在实验环境中未加修正便应用于实验当中,在行后续实验中需要进行算法参数值的修正及零件的改进设计。更多还原

关 键 词： 膝关节假肢 [7732333]SEA [6669425]仿真平台 控制算法

分 类 号： [TH789]

领　　域： []