基于齿轮-五杆机构的假肢膝关节设计优化与驱动控制研究

发布时间：2020-05-30 16:17

【摘要】：随着人类社会的飞速发展,日益增多的交通事故、单位工伤、人为和自然灾害、以及战争和疾病等,使许多正常人变为了身体截肢的残疾人。假肢膝关节作为康复辅助器具中最为重要的环节,其可以使残疾人从无法正常活动恢复到自主行走,从而实现生理和心理的社会回归。因此,其研究具有重要的理论意义和应用价值,并具备较强的社会效益。针对当前假肢膝关节在理论和实际应用方面存在的仿生性不足、能耗高、驱动效果不佳等问题,本文基于齿轮-五杆机构提出了一种新型假肢膝关节,通过以提供最贴切人体膝关节瞬心线为优化目标的机构尺寸参数优化、基于关节行走随动特性的非线性并联与串联弹性驱动设计优化及性能分析,以及利用神经网络实现的假肢智能控制和实验研究,实现了高仿生性、低能耗,驱动效果良好的假肢膝关节。论文具体研究工作如下:1)齿轮-五杆机构假肢膝关节的建模和尺寸参数优化。建立齿轮-五杆机构假肢膝关节模型及其速度瞬心求解方法,采用遗传算法对其进行尺寸参数优化,分析了其齿轮传动比对假肢膝关节瞬心线的影响,并与常见四、六杆机构假肢膝关节进行了对比。研究结果表明:齿轮-五杆机构假肢膝关节可用较小的尺寸结构达到较高的仿生性能,并具有利用其齿轮传动比微调瞬心线的功能,为假肢膝关节的小型化、轻型化和定制化奠定了理论基础。2)齿轮-五杆机构假肢膝关节的行走随动特性研究。建立齿轮-五杆机构假肢膝关节的行走随动模型,结合采集的真实人体行走数据,分析了其运动学特性与理论步态。在此基础上,通过对其进行站立相和摆动相的逆动力学建模及分析,揭示了齿轮-五杆机构假肢膝关节的驱动特性。研究结果表明:齿轮-五杆机构假肢膝关节的理论行走步态与预期步态较为吻合;其机构内存在驱动功率最小的最佳驱动位置。3)齿轮-五杆机构假肢膝关节的非线性并联弹性驱动研究。利用齿轮-五杆机构两点连线的非线性位置变换特性,建立了假肢膝关节的非线性并联弹性驱动模型;采用考虑弹簧一般并联情况下的机构动力学建模及求解方法,并通过将不同受力和弹簧安装工况归一化的预处理,应用改进模拟遗传退火算法以降低机构驱动扭矩和功率为优化目标实现了其参数的最优化。研究结果表明:利用最优非线性并联弹性驱动可大幅降低齿轮-五杆机构假肢膝关节的驱动扭矩和驱动功率;与线性并联弹性驱动相比,其具有驱动扭矩和驱动功率峰值显著降低的优势。4)齿轮-五杆机构假肢膝关节的非线性串联弹性驱动研究。基于新型“电机-非线性传动-弹簧”的非线性串联弹性驱动原理,提出了一种基于共轭凸轮机构的新型假肢膝关节非线性串联弹性驱动器。以弹性驱动器电机的驱动功率、输出扭矩波动和线性弹簧的刚度系数三者加权最小为优化目标,以凸轮廓线和最小曲率半径为惩罚约束,采用改进模拟遗传退火算法实现了共轭凸轮机构的双目标帕累托最优。研究结果表明:齿轮-五杆机构假肢膝关节采用共轭凸轮串联弹性驱动,具有机械误差小、响应速度快及控制简单的优点,并可实现相位分立式驱动和假肢膝关节驱动功率的进一步降低。5)齿轮-五杆机构假肢膝关节的智能控制及实验研究。利用Arduino开发板、双MPU-6050加速度传感器和FSR压力传感器建立了其姿态采集与解算系统,采用Maxon Epos 2控制器和Maxon RE40 DC电机实现了其电驱系统,设计了齿轮-五杆机构假肢膝关节的结构并制作样机和搭建其实验平台,通过结合BP神经网络的Labview并行主控程序完成了其智能控制。行走实验结果表明:齿轮-五杆机构假肢膝关节能够较好地完成行走功能,其实际行走步态与预期步态较为接近。
【图文】：

优秀的假肢膝关节结构可以有效改善其机械性能与仿生性能，从而为假肢步态多样化和运动特性多模式化奠定基础。其次，假肢膝关节需要主动动力和阻尼来实现患侧步态的正常化，选取合理的驱动技术一方面可以提升假肢膝关节的行走步态，另一方面也有利于实现假肢膝关节驱动特性的提升。此外，假肢膝关节的控制技术直接决定了其适应性与实用性，尤其是在当前假肢膝关节的智能化潮流下，提升假肢膝关节智能控制水平已经是迫在眉睫的任务。因此，本文将从假肢膝关节的结构设计、驱动技术和控制理论三个角度出发，分析国内外在这些方面的研究现状与进展。1.2.1 国外近年在结构设计、驱动技术和控制方法方面的研究现状1 结构设计研究现状假肢膝关节的结构设计是为保证其能够为患者提供较优的仿生性、动力学特性、运动稳定性，并方便实现机构的驱动控制。目前假肢膝关节结构研究包括单轴和多轴两种类型。（1）单轴假肢膝关节单轴假肢膝关节利用单个铰链实现膝关节运动。由于单轴工作原理简单，，因此其结构研究主要集中在特殊功能的实现上，如站立相自锁、冗余驱动和上/下楼梯等功能。

1 绪论究主要向特定运动功能、变杆长驱动和可弹性形变等方向发展。如图 1 3a 所示，斯洛文尼亚 Ljubljana 大学的 Ivan Dem ar 等人提出了一种雪的四杆机构假肢膝关节[14]。该四杆机构假肢膝关节能够在维持患者站立稳保证患者的重心在半蹲状态下维持在身体前方，以使患者完成诸如滑雪、滑动。目前该假肢膝关节已成功实现商业应用。此外，日本 kagawa 大学的 Ko则设计出了一种能上楼梯的被动四杆机构假肢膝关节[15]实验样机。患者假腿下与楼梯地面接触时会使小腿连杆的铰链移动到侧连杆的开槽当中，从而完曲状态下的自锁，实现上楼功能。
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH789

【参考文献】

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本文编号：2688388