动力型假肢膝关节设计与仿真研究

目前应用的被动式假肢膝关节由于其局限性并不能满足截肢者日常活动的需求,设计了一种能够为穿戴者提供助力的动力型假肢膝关节.利用Vicon人体三维运动捕捉系统,采集人体下肢运动信息,对人体膝关节的运动进行分析,结合动力型假肢膝关节实现的功能和工作原理设计其结构.利用CAD软件Solidworks对动力型假肢膝关节进行建模,...     

双下肢建模与运动控制研究

人体下肢行走为周期性规律运动,研究行走的步态特征对双足行走机器人步态规划以及动力型假肢运动控制都有很大的借鉴意义.利用VICON人体三维运动捕捉系统采集平地行走髋关节与膝关节的运动信息并进行分析.将人体简化为刚体模型,借助CAD软件Solidworks进行人体建模,利用COSMOS Motion插件进行下肢运动学分析.搭建双下肢运动平台,直流伺服电机作为驱动髋关节与膝关节运动的动力装置,通过对人体膝关节和髋关节角度信号的控制,最终达到模拟人腿的步态行走.     

下肢外骨骼系统摆动相非线性干扰观测器设计

针对下肢外骨骼在运行过程中,穿戴者提供的主动力矩不确定问题,本文进行了基于干扰观测技术的摆动相控制方法研究。利用拉格朗日原理对简化后的实物模型进行动力学分析,建立下肢外骨骼摆动相模型。考虑模型的非线性、强耦合特征设计滑模控制器,基于干扰观测器对穿戴者的主动力矩进行估计,实现对滑模控制器的补偿,并对观测器/控制器综合设计的闭环系统稳定性进行证明。搭建下肢外骨骼控制系统仿真平台进行髋关节和膝关节的角度控制。实验结果证明,所设计的闭环系统对期望角度具有良好的跟随能力,可以有效抑制干扰的影响。     

基于气动人工肌肉的仿人机器人膝关节设计与控制

考虑气动人工肌肉的功率/质量比与柔性优势,研究其在仿人机器人下肢结构中的应用.首先分析人体下肢生理结构及功能映射,进行膝关节的结构设计;其次,采用H鲁棒控制理论,设计了膝关节运动角度控制器,以及基于反馈线性化原理的气动肌肉气压控制器;最后,搭建关节运动控制实验平台,并进行验证性实验研究.结果表明,所设计的气动关节能完成大腿-小腿相对转动90°的运动要求,关节轨迹跟踪稳态误差小于4%.     

自对准人工膝关节的人机匹配设计

针对膝关节处人-机系统错位的问题，提出两自由度自对准人工膝关节机构.为了模拟生物膝关节的屈伸运动，该装置采用2个电机对自对准人工膝关节进行驱动.对机构进行运动学分析，建立人-机耦合的运动学模型，将人工膝关节与生物膝关节间的错位定量地描述为机构绑带点与小腿参照点的摆角偏差和位置偏差.以缩小偏差为目标，提出基于粒子群优化的人-机系统运动匹配方法优化关键部件参数，在绑带点趋近参照点的过程中，人工膝关节摆角趋近小腿屈伸角度.采用高速相机测量个体小腿的运动数据，以测量结果为参考进行人机匹配操作.建立数字虚拟样机，开展仿真实验.通过MATLAB-Adams联合仿真，对动态过程中人工膝关节与个体小腿运动的匹配效果进行验证.结果表明，该人工膝关节在其工作空间内可以实现运动匹配与摆角自对准.     

基于摆动腿模型的足底压力形成机理研究

足底压力可揭示人体在不同状态下的步态运动特性和动力特性,能反应人体的某些运动机能.本文通过建立下肢摆动腿模型,分析步态运动状态下足底压力的形成机理以及步态速度对足底压力带来的影响,为足底压力的应用提供了更充分的理论依据.通过分析运动过程中足底压力的受力情况并进行合理假设,得到下肢摆动腿的简化模型,从而得到步态运动状态下步态速度对足底压力的影响.取步态速度为变量,使用下肢摆动腿简化模型对足底压力受力情况进行仿真实验,并与实际实验进行对比.对比实验证明步态速度与足底压力关系模型与实际相符.     

欠驱动异构式下肢康复机器人动力学分析及参数优化

针对现有外骨骼机器人人机自由度不匹配和关节对中性差的问题,提出欠驱动下肢康复机器人. 欠驱动机器人只有4个直线驱动,驱动的直线运动通过推杆和人机连接机构转化为人下肢在矢状面内的屈伸运动,带动人体进行步态康复训练. 建立机器人系统的人机耦合模型,进行模型的动力学分析,对人机耦合模型中影响动力学结果的参数进行分析,建立驱动力与肢体推动力之间的关系模型,并以推力系数最大为目标进行参数分析与优化,得到最佳的结构参数. 根据优化后的结构参数搭建康复机器人实验系统,对髋、膝关节驱动力与角度进行对比. 实验结果表明最大髋关节角度误差为2.9°,最大膝关节角度误差为6.4°,最大误差均约为9%,验证了动力学模型和参数优化结果的正确性.     

一体化小腿假肢在不同步态时相的应力分布

在典型步态时相对一体化假肢进行应力分析,为一体化假肢的设计提供参考。采用一实验阶段的内骨架一体化小腿假肢的真实几何构型,并考虑残端软组织和骨,建立三维有限元模型,分别施加HeelStrike、FootFlat、Mid Stance、HeelOff和ToeOff5个典型步态时相的载荷,计算假肢内的应力分布,采用VonMises应力为分析指标。结果表明:一体化假肢和软组织各区域的应力在HeelOff步态时相均为最大,假腿、接受腔、交界区域的最大VonMises应力分别为30MPa、18MPa、32.1MPa,软组织表面最大正应力为703.8kPa。HeelOff为步态周期中最不利的步态时相,一体化假肢的设计应该重点考虑满足该步态时相的强度要求。     

床式步态康复训练系统机构设计

针对现有床式步态康复训练机器人使用不便、成本高昂的问题,提出模块化的床式步态康复训练系统. 包括倾角可调的床体模块、腿部运动辅助机构模块和足底支撑机构模块,模块化设计可以提高其使用方便性,降低制造和使用成本. 为了实现正常的行走步态,腿部运动辅助机构模块采用凸轮-连杆机构模拟大腿和小腿的运动. 建立腿部运动辅助机构的人机耦合模型,并对其进行运动学分析,得到机构与人体下肢的运动学关系,将其作为参数优化和结构设计的基础. 利用MATLAB,以机构对患者个体差异的适应性为目标,对模型中的各参数进行优化,得到一组机构参数的最优解. 实验结果表明,不同身高的实验者髋关节测量角度与标准角度的最大误差不超过5.2°,膝关节最大误差不超过6.7°,验证了机构对实验者个体差异的适应性和使用此系统进行康复训练的可行性.     

基于GWO-SVM的下肢假肢穿戴者骑行相位识别

针对下肢假肢穿戴者骑行相位识别的问题,提出基于灰狼算法优化的支持向量机(GWO-SVM)分类模型. 建立下肢多源信息系统,采集膝关节、踝关节的加速度信号以及膝关节角度信号. 应用奇异值分解,对采集到的信号进行降噪处理. 在对信号进行降噪处理之后,为了避免单一信号不确定的影响,从数据冗余角度,选取各信号的特征点,开展归一化处理,组成多维特征向量,作为SVM分类模型的输入. 为了能够进一步提高分类精度,加强全局优化能力,利用GWO算法对核参数进行优化. 通过与PSO-SVM分类模型、GA-SVM分类模型对比表明,基于GWO优化的SVM分类模型对骑行相位的识别率为94%,高于其他方法优化的SVM分类模型.