自适应性主动式下肢假肢仿生控制方法研究

发布时间：2017-04-15 20:06

  本文关键词：自适应性主动式下肢假肢仿生控制方法研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近些年来,随着生物学和仿生学的研究发展,很多的生物学的研究成果为假肢控制领域带来新的思路。研究发现,生物的很多运动例如呼吸、行走、心跳等,并不是由生物体的大脑去直接控制,而是由位于生物低级神经中枢的被称作中枢模式发生器(Central Pattern Generator,CPG)去直接控制。本文将基于CPG的仿生控制方法应用到下肢假肢的控制,主要工作内容包括以下几个方面:1、熟悉了解人体对步态的分层运动控制系统,将基于CPG的仿生控制方法应用于对下肢假肢的控制,使用自激振荡的非线性振荡器去模拟控制信号的产生过程,对常见的Hopf振荡器、Rayleigh振荡器和Matsuoka振荡器进行分析比较,选择Hopf振荡器作为组成振荡器网络的基本振荡器。2、Hopf振荡器仅能产生固定角频率的振荡信号,无法实现对外部训练信号的学习,因此将Dynamic Hebbian Learning学习算法加入到对Hopf振荡器的学习训练之中,改进的Hopf振荡器中的角频率由常量变为状态变量,进而可以实现对外部周期信号角频率的学习。3、将几个改进的Hopf振荡器组成CPG网络,振荡器之间实现耦合,使用正常的肢体行走步态数据去完成对整个网络的训练,并对整个振荡器网络引入反馈,用反馈信息去调整每个振荡器的幅值、振荡角频率和相位。训练结束后,由若干具有不同幅值、振荡角频率和相位的振荡器组成的CPG网络,可以实现对训练信号的重现,振荡器网络自激振荡输出可以用于控制假肢的信号,步速的调整和步态的切换。4、使用双下肢仿生平台作为测试算法的平台,使用Labview搭建上位机,实验结果证明可以将基于CPG的仿生控制方法应用于下肢假肢的控制,CPG产生的假肢控制信号和人体产生的用于肢体控制的信号十分接近,方法是可行的。
【关键词】：Hopf振荡器 中枢模式发生器 主动式假肢 仿生控制方法
【学位授予单位】：河北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R318.17;TP273
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-17
• 1.1 背景和意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-13
• 1.2.1 国外研究现状10-11
• 1.2.2 国内研究现状11-13
• 1.3 下肢假肢控制方法研究13-15
• 1.3.1 基于模型的控制方法13
• 1.3.2 基于行为的控制方法13-14
• 1.3.3 基于中枢模式发生器的控制方法14-15
• 1.4 课题主要研究内容15-17
• 第二章 下肢运动信号的采集与分析17-23
• 2.1 人体下肢运动相关定义17-18
• 2.2 步态信息采集系统简介18-19
• 2.3 下肢膝关节步态数据采集19-21
• 2.4 小结21-23
• 第三章 基于CPG仿生控制方法的研究23-45
• 3.1 CPG仿生控制原理的研究23-24
• 3.2 CPG的振荡器模型24-31
• 3.2.1 Hopf振荡器24-26
• 3.2.2 Rayleigh振荡器26-28
• 3.2.3 Vanderpol振荡器28-29
• 3.2.4 振荡器模型的选取29-31
• 3.3 基于Dynamic Hebbian Learning的改进振荡器模型31-33
• 3.3.1 Dynamic Hebbian Learning算法简介31
• 3.3.2 基于Dynamic Hebbian Learning的改进Hopf振荡器模型31-33
• 3.4 基于改进Hopf振荡器的CPG数学模型33-41
• 3.4.1 CPG数学模型简介33-35
• 3.4.2 CPG对平地行走的学习35-38
• 3.4.3 CPG对其他步态的学习38-41
• 3.5 CPG控制步态的产生41-44
• 3.5.1 步态控制信号的产生41-42
• 3.5.2 步速调节的实现42-43
• 3.5.3 步态切换的实现43-44
• 3.6 小结44-45
• 第四章 基于双下肢仿生平台的验证45-59
• 4.1 双下肢仿生平台的介绍45-50
• 4.1.1 双下肢仿生平台硬件介绍45-47
• 4.1.2 控制器控制方式说明47-49
• 4.1.3 常用函数库49-50
• 4.2 Labview简介50-52
• 4.3 主控制界面介绍52-53
• 4.4 控制程序功能介绍53-55
• 4.5 验证55-57
• 4.5.1 平地行走步态控制55-56
• 4.5.2 步速调节的步态控制56
• 4.5.3 步态切换的步态控制56-57
• 4.6 小结57-59
• 第五章 结论59-61
• 5.1 论文主要完成的工作59-60
• 5.2 工作展望60-61
• 参考文献61-67
• 攻读学位期间所取得的相关科研成果67-69
• 致谢69

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