基于有限状态机的假肢膝关节的控制方法研究

发布时间：2020-03-23 02:24

【摘要】：假肢作为残障人士重返社会的有力辅助,正在向着智能化的方向发展。假肢使用者中又有很大一部分是单侧经股截肢患者,保留有较多残肢,但失去了膝关节。由于技术水平的限制,我国目前的下肢假肢制造水平难以满足广大残障人士的需求,研究更加智能的下肢假肢对改善他们的生活状况有重要的意义。本文基于有限状态机的原理,针对此种类型的假肢膝关节,研究了一种控制方法。本文以健康腿各关节的轨迹作为下肢假肢控制的理想目标,搭建了下肢运动数据采集平台,使用PhaseSpace相机阵列采集了健康人体的下肢运动数据,使用相关软件编写计算程序,处理原始数据,计算出膝关节的目标角度变化规律;将人体膝关节抽象成简化模型,求得在各种路况中可能出现的最大、最小力矩。假肢膝关节的控制方法有多种,本文从位置控制的角度进行研究,基于FSM数学原理,建立了假肢膝关节控制模型,在选择两相混合式步进电机作为动力源后,计算出一种驱动电机的标准脉冲信号及脉冲频率变化规律。实际的下肢假肢在单个步态区间内会出现运行偏差,本文对该问题采用迭代学习控制(ILC)的方法,研究了单个周期的步态的调节方法,并做出了理论分析曲线。考虑了步态区间切换的两种不理想情况:过早/不及时,并给出了相应的对策。以足底压力的变化规律作为步速测量的数据来源,根据区间占总周期的比例反求步速。由假肢的步速适应问题和步态周期内部调节两个问题的研究,指出各项指标的改善并非孤立,而是具有一定的关联性。在平地前进模式下,将计算得到的理论控制信息用于电机仿真,并采用脉宽调制方法,计算得到另一种控制信息,分别使用两种方法对电机按位置控制,比较了仿真结果。肯定了前述研究的可靠性。在行走以外的运动模式中,建立了按照力矩控制电机的仿真模型。对本文的假肢膝关节控制方法做了总结。
【图文】：

来源来自国家康复辅具研究中心。研究背景和意义由于各种因素造成的残障给人们带来极大不便，根据我国 2006 年进抽样调查”，由于创伤或本身的血管类疾病等，残疾人中又有不小的截肢者，他们希望重返社会，回归健康生活[1]。肢者来说，装配假肢是恢复大腿功能的唯一途径。根据伤残程度不同假肢有膝上假肢（Above-KneeProsthesis）、假脚、踝关节假肢等。本肢膝关节属于膝上假肢，特点在于大腿部分有较长的残端可以起到支的假肢仅具有简单的支撑功能，虽然在形状上努力接近人体，但其效行走体验的改善十分有限。尽管如此，人们仍然孜孜不倦地探索新型的的产品，到了近代，假肢已经不完全是简单的支撑物，而是有了一些节，如图 1-1。

假肢,工程硕士学位,义肢,英国

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文1 国外假肢膝关节研究现状国际上，关于膝上假肢的研究开展得十分广泛，以下简要介绍英国、日本冰岛、美国等的研究状况。1986 年，日本兵库县的义肢研究员中川等人提出了世界上第一种可主动规律的人造膝技术思路[9]，即使用微处理器调节针阀开度，使阻尼实时假肢摆动，装配这种膝关节的下肢假肢属于智能型假肢。上世纪末，英国特公司（Blatchford）取得了技术许可，该公司的工程师根据中川的技术构出智能假肢 IP（Endolite’s IntelligentProsthesis），它是世界上第一款使用控制的假肢，，随后该公司又对 IP 性能进行完善，研制出 IP+[10]。Blatchf后在膝上假肢领域研发了大量产品，IP 系列的最新一代称为 SmartIP，如）、（b）所示[11]。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R496;TP273

【相似文献】