足踝复合体所处的特殊位置需要它在人体和地面之间形成重要的动态联结,人类完成的所有直立运动都要求足踝复合体不断地适应与配合身体周围的环境。足踝复合体无论是在解剖结构上还是功能上都具有高度的复杂性,动态步态模拟器作为足踝复合体生物力学研究的重要装备,能够利用尸体足踝模拟人体步态的站立相,并实现基于有创方法的足踝内部动态行为(如骨骼运动规律、骨内部应力分布、韧带和肌腱力学行为与关节接触力等)的精确测量,对于足踝运动系统疾病机理的探讨、手术方案的科学论证、运动损伤与防护的研究、仿生足踝系统的研制等具有重要意义。论文针对人体足踝生物力学的研究需求,分析了活体足踝步态的相关数据,形成了步态模拟系统的技术与控制指标,提出了一种基于尸体足踝的具有主动胫骨控制方式的六自由度足踝动态步态模拟方法;所研制的步态模拟系统包括:基于基座可移动式六自由度并联机械手的胫骨运动控制子系统、基于电液比例位置系统的基座驱动子系统、基于电液比例力控系统的胫骨随动加载子系统与伺服电动缸驱动的四轴肌腱驱动子系统;完成了各子系统的集成与原理样机的试制,分析了足踝动态步态模拟过程中十二轴联动系统的多执行器耦合控制问题。对基座可移动式六自由度并联机械手的运动学与动力学特性开展了深入的研究。利用电液比例位置系统驱动并联机械手的基座,拓展了其末端执行器在矢状面内沿步态前-后向的工作空间。在分析机械手逆运动学与逆动力学特性时,考虑了机械手组件由于基座在空间中存在加减速运动所产生的惯性力的影响,推导出了适用于具有可移动基座的并联机械手研究领域的通用动力学方程;结合活体步态数据,计算了六自由度足踝动态步态模拟过程中机械手支腿的驱动规律与驱动力。通过选取与末端执行器固连的任意3个坐标未知的参考点,构建了并联机械手正运动学分析所需的非线性方程组,无需借助旋转矩阵即可精确计算末端执行器的位姿。在ADAMS中开展了基于足踝多体模型的步态模拟系统动力学仿真研究,初步验证了所提出的步态模拟方法的可行性。针对电液比例位置系统的高精度轨迹跟踪问题,提出了基于径向基神经网络(RBFNN)的复合自适应动态面控制算法。利用RBFNN实时估计与补偿系统中的未知非线性摩擦力,利用动态面(DSC)技术构建了系统的非线性控制器,引入指令滤波器对虚拟控制信号进行处理,克服了传统反步控制(Backstepping Control)所固有的“微分项爆炸”问题。引入补偿跟踪信号消除了指令滤波器所带来的滤波误差的影响,设计了串行-并行预测模型来提高RBFNN的估计性能,而相应的补偿跟踪误差与模型预测误差则被用来构建RBFNN的复合自适应律。利用Lyapunov理论对闭环系统的稳定性进行了分析,针对步态模拟系统的多执行器耦合控制问题,研究了基座驱动子系统的协调控制方法。对比仿真与对比实验结果验证了所提出的控制算法的有效性与先进性。针对电液比例力控系统的高精度胫骨随动加载问题,提出了一种基于迭代学习机制的输出反馈动态面控制算法。利用高增益状态观测器对液压系统中不可测量的状态变量进行估计,利用DSC技术构建了系统的非线性控制器并实现了液压缸的高精度位置轨迹跟踪,利用Lyapunov理论分析了闭环系统的稳定性。设计了比例-积分-微分(PID)型迭代学习机制对液压缸的理想位置轨迹进行优化,确保在复杂的动态步态模拟过程中,液压缸在跟踪优化的理想位置轨迹的同时,其输出力逼近胫骨目标加载曲线。基于Matlab/Simulink的仿真结果验证了所提出的控制算法的有效性。结合活体足踝肌腱在站立相中的作用趋势,提出了肌腱驱动子系统的模糊PID自整定控制算法,并针对步态模拟系统中的多执行器耦合控制问题,探讨了力控系统的协调控制方法。最后搭建了原理样机的控制系统硬件与软件平台,完成了基座驱动子系统、胫骨随动加载子系统与肌腱驱动子系统及其控制算法的实验验证,并最终完成了基于尸体足踝的综合动态步态模拟实验,验证了所提出的六自由度足踝动态步态模拟系统及其控制策略的有效性与先进性。本文的研究内容能够为人体足踝生物力学的研究提供极大帮助。
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP241;TP273
【部分图文】：
图 1-1 站立相中足踝复合体的连续姿态Fig. 1-1 The continuous posture of the FAC during the stance phase
图 1-1 站立相中足踝复合体的连续姿态Fig. 1-1 The continuous posture of the FAC during the stance phase
图 1-3 Sharkey 研制的步态模拟器与相关的实验结果[9]Fig. 1-3 The gait simulator designed by Sharkey and the related experimental results为了能够最大程度提高模拟速度并获得更好的动态特性，Nester 设计了一种全开环控制的动态步态模拟器[25]。如图 1-4 所示，该步态模拟器的执行机构都被安装在
【参考文献】
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2854618
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