主被动踝关节假肢与控制方法试验研究
发布时间：2021-10-12 22:58
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。
【文章来源】：华东理工大学上海市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：92 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
1.2 主被动踝关节假肢研究现状
1.2.1 国外研究现状
1.2.2 国内研究现状
1.3 本文的主要研究内容
第2章 人体行走踝关节模型研究
2.1 人体踝关节结构模型
2.2 人体行走踝关节生物力学特性
2.2.1 步态周期划分
2.2.2 踝关节阻抗分析
2.3 踝关节假肢的设计目标
2.3.1 机械结构需求
2.3.2 传感系统需求
2.3.3 控制系统需求
2.4 本章小结
第3章 主被动踝关节假肢样机结构优化分析
3.1 试验样机整体构型研究
3.1.1 试验样机结构构型
3.1.2 试验样机模型整体结构
3.2 假肢关键部件研究
3.2.1 传动系统
3.2.2 SEA执行器研究
3.2.3 并联弹簧机构
3.3 踝关节假肢系统工作过程
3.4 本章小结
第4章 主被动踝关节假肢控制方法研究
4.1 假肢运动学模型
4.1.1 假肢机构简图
4.1.2 机构运动学分析
4.2 直流电机伺服控制系统基本结构
4.3 踝关节假肢控制算法研究
4.3.1 有限状态机控制研究
4.3.2 底层模糊PID控制算法
4.4 角度控制仿真
4.5 力矩控制仿真
4.6 本章小结
第5章 主被动踝关节假肢控制系统硬件模块研究
5.1 传感器模块研究
5.1.1 角度传感器
5.1.2 压力传感器
5.1.3 力矩传感器分析
5.2 控制器硬件模块研究
5.2.1 主控芯片简介
5.2.2 单片机最小核心电路设计
5.2.3 角度传感器信号模块
5.2.4 薄膜压力传感器信号采集模块
5.2.5 电机控制输出模块
5.2.6 串口通讯模块设计与分析
5.2.7 nRF无线通讯模块设计与分析
5.2.8 控制器的PCB设计
5.3 直流伺服电机驱动模块
5.4 本章小结
第6章 主被动踝关节假肢控制系统软件分析
6.1 开发环境与编程方法介绍
6.2 主程序分析与研究
6.3 功能模块函数设计分析
6.3.1 传感器信号采集
6.3.2 控制算法
6.3.3 电机运动控制
6.3.4 nRF通讯模块程序研究
6.4 上位机程序研究
6.5 本章小结
第7章 样机试验与数据分析
7.1 试验装置搭建
7.2 角度跟随控制试验
7.3 有限状态机控制试验
7.4 本章小结
第8章 结论与展望
8.1 研究结论
8.1.1 研究成果
8.1.2 研究创新点
8.2 研究展望
参考文献
致谢
攻读硕士学位期间发表的论文
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于ARM的嵌入式包装搬运机器人控制系统设计[J]. 孙玥,魏欣. 包装工程. 2017(23)
[2]浅谈ST-LINK调试器的时间线调试技巧[J]. 夏传东. 单片机与嵌入式系统应用. 2017(08)
[3]Altium Designer技术在PCB板设计中的应用研究[J]. 叶俊杰. 电子质量. 2017(02)
[4]踝关节扭伤的生物力学与运动学研究进展[J]. 赵勇,王钢. 中国骨伤. 2015(04)
[5]一种低压大电流H桥直流电机驱动器的设计[J]. 纪玉亮,王旭东,龙江,周凯. 哈尔滨理工大学学报. 2015(02)
[6]基于模糊PID控制的直流电机调速系统[J]. 赵正黎,于惠钧,张发明,谷雅琼. 湖南工业大学学报. 2015(02)
[7]动力踝关节假肢设计与仿真[J]. 冉洋冰,曹恒,朱钧. 制造业自动化. 2014(11)
[8]一种基于布局布线协同的PCB设计算法[J]. 闫利平,陈庆奎. 计算机工程. 2014(05)
[9]基于应变片阵列的机器人变刚度关节力矩传感器研究[J]. 王士浩,查富生,尹鹏,王鹏飞,李满天. 机械与电子. 2014(03)
[10]混合驱动踝足假肢阻抗控制方法[J]. 朱钧,曹恒,王瑜,孙波,姚海庆. 中国科技论文. 2014(01)
博士论文
[1]混联下肢外骨骼的步态规划与控制研究[D]. 潘大雷.上海交通大学 2015
[2]下肢运动模式识别及动力型假肢膝关节控制方法研究[D]. 耿艳利.河北工业大学 2012
硕士论文
[1]一种新型踝关节康复训练机器人机构的研究[D]. 胡微微.中北大学 2017
[2]基于STM32的工程车辆远程监控系统[D]. 徐俊锋.华东理工大学 2017
[3]主被动混合驱动的假脚—踝关节系统研究[D]. 沙海天.苏州大学 2015
[4]基于STM32的无刷直流电机控制系统研究[D]. 何彭.武汉理工大学 2015
[5]基于模糊推理的室内定位方法研究[D]. 郭伟奇.电子科技大学 2015
[6]混合运动对社区糖尿病足危险人群糖尿病足预防作用的研究[D]. 叶晶.复旦大学 2014
[7]糖尿病足骨髓炎患者患病及其截肢危险因素研究[D]. 郭婕.天津医科大学 2013
[8]基于nRF24L01的无线网络设计与实现[D]. 韦积慧.吉林大学 2012
本文编号：3433468
【文章来源】：华东理工大学上海市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：92 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
1.2 主被动踝关节假肢研究现状
1.2.1 国外研究现状
1.2.2 国内研究现状
1.3 本文的主要研究内容
第2章 人体行走踝关节模型研究
2.1 人体踝关节结构模型
2.2 人体行走踝关节生物力学特性
2.2.1 步态周期划分
2.2.2 踝关节阻抗分析
2.3 踝关节假肢的设计目标
2.3.1 机械结构需求
2.3.2 传感系统需求
2.3.3 控制系统需求
2.4 本章小结
第3章 主被动踝关节假肢样机结构优化分析
3.1 试验样机整体构型研究
3.1.1 试验样机结构构型
3.1.2 试验样机模型整体结构
3.2 假肢关键部件研究
3.2.1 传动系统
3.2.2 SEA执行器研究
3.2.3 并联弹簧机构
3.3 踝关节假肢系统工作过程
3.4 本章小结
第4章 主被动踝关节假肢控制方法研究
4.1 假肢运动学模型
4.1.1 假肢机构简图
4.1.2 机构运动学分析
4.2 直流电机伺服控制系统基本结构
4.3 踝关节假肢控制算法研究
4.3.1 有限状态机控制研究
4.3.2 底层模糊PID控制算法
4.4 角度控制仿真
4.5 力矩控制仿真
4.6 本章小结
第5章 主被动踝关节假肢控制系统硬件模块研究
5.1 传感器模块研究
5.1.1 角度传感器
5.1.2 压力传感器
5.1.3 力矩传感器分析
5.2 控制器硬件模块研究
5.2.1 主控芯片简介
5.2.2 单片机最小核心电路设计
5.2.3 角度传感器信号模块
5.2.4 薄膜压力传感器信号采集模块
5.2.5 电机控制输出模块
5.2.6 串口通讯模块设计与分析
5.2.7 nRF无线通讯模块设计与分析
5.2.8 控制器的PCB设计
5.3 直流伺服电机驱动模块
5.4 本章小结
第6章 主被动踝关节假肢控制系统软件分析
6.1 开发环境与编程方法介绍
6.2 主程序分析与研究
6.3 功能模块函数设计分析
6.3.1 传感器信号采集
6.3.2 控制算法
6.3.3 电机运动控制
6.3.4 nRF通讯模块程序研究
6.4 上位机程序研究
6.5 本章小结
第7章 样机试验与数据分析
7.1 试验装置搭建
7.2 角度跟随控制试验
7.3 有限状态机控制试验
7.4 本章小结
第8章 结论与展望
8.1 研究结论
8.1.1 研究成果
8.1.2 研究创新点
8.2 研究展望
参考文献
致谢
攻读硕士学位期间发表的论文
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于ARM的嵌入式包装搬运机器人控制系统设计[J]. 孙玥,魏欣. 包装工程. 2017(23)
[2]浅谈ST-LINK调试器的时间线调试技巧[J]. 夏传东. 单片机与嵌入式系统应用. 2017(08)
[3]Altium Designer技术在PCB板设计中的应用研究[J]. 叶俊杰. 电子质量. 2017(02)
[4]踝关节扭伤的生物力学与运动学研究进展[J]. 赵勇,王钢. 中国骨伤. 2015(04)
[5]一种低压大电流H桥直流电机驱动器的设计[J]. 纪玉亮,王旭东,龙江,周凯. 哈尔滨理工大学学报. 2015(02)
[6]基于模糊PID控制的直流电机调速系统[J]. 赵正黎,于惠钧,张发明,谷雅琼. 湖南工业大学学报. 2015(02)
[7]动力踝关节假肢设计与仿真[J]. 冉洋冰,曹恒,朱钧. 制造业自动化. 2014(11)
[8]一种基于布局布线协同的PCB设计算法[J]. 闫利平,陈庆奎. 计算机工程. 2014(05)
[9]基于应变片阵列的机器人变刚度关节力矩传感器研究[J]. 王士浩,查富生,尹鹏,王鹏飞,李满天. 机械与电子. 2014(03)
[10]混合驱动踝足假肢阻抗控制方法[J]. 朱钧,曹恒,王瑜,孙波,姚海庆. 中国科技论文. 2014(01)
博士论文
[1]混联下肢外骨骼的步态规划与控制研究[D]. 潘大雷.上海交通大学 2015
[2]下肢运动模式识别及动力型假肢膝关节控制方法研究[D]. 耿艳利.河北工业大学 2012
硕士论文
[1]一种新型踝关节康复训练机器人机构的研究[D]. 胡微微.中北大学 2017
[2]基于STM32的工程车辆远程监控系统[D]. 徐俊锋.华东理工大学 2017
[3]主被动混合驱动的假脚—踝关节系统研究[D]. 沙海天.苏州大学 2015
[4]基于STM32的无刷直流电机控制系统研究[D]. 何彭.武汉理工大学 2015
[5]基于模糊推理的室内定位方法研究[D]. 郭伟奇.电子科技大学 2015
[6]混合运动对社区糖尿病足危险人群糖尿病足预防作用的研究[D]. 叶晶.复旦大学 2014
[7]糖尿病足骨髓炎患者患病及其截肢危险因素研究[D]. 郭婕.天津医科大学 2013
[8]基于nRF24L01的无线网络设计与实现[D]. 韦积慧.吉林大学 2012
本文编号：3433468
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/yiqiyibiao/3433468.html
