主动型膝上假肢的预测控制研究

发布时间：2017-05-12 03:10

  本文关键词：主动型膝上假肢的预测控制研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：主动型膝上假肢能够为截肢者的行走过程提供助力,完成多种步态情况下对健肢的跟随,满足截肢者的需求。因此,相对于传统假肢,主动型假肢的设计与研究有着重要的理论意义和应用价值。本文从采集、分析人体下肢的运动数据开始,将运动过程中的膝关节力矩与角度的对应关系转化为分段仿射模型,并用基于多参数规划的模型预测控制理论完成了控制器的构造,为主动型假肢的运动控制提供了一种思路。本文主要完成的内容有:1,对不同路况下的人体行走过程进行数据的采集,并通过采集到的信号和人体下肢的动力学模型求取膝关节在运动过程中的力矩。2,对人体下肢运动信号的特征值进行分析,通过建立极限学习机分类器,完成对不同路况下的人体步态进行识别。根据分段仿射系统理论与非线性系统线性化理论,对不同路况下的运动过程建立分段仿射模型。3,用多参数规划理论对最优二次规划问题进行求解,得到不同状态分区下的离线控制律,将预测控制的在线滚动优化过程转变为在线查表计算过程,完成控制器的设计。该控制器将建模、二次规划问题的求解等需要大量耗时的工作在离线进行,在线进行的工作主要有:通过脚底压力信号判断步态起始、采集足够的数据来进行步态识别、选择对应步态的控制器、通过采集到的信号确定当前步态时刻并通过查表法计算控制信号、将控制信号作用于被控对象,完成对主动型假肢膝关节的控制。该控制方法在线计算量小,并能够实现主动型假肢的闭环控制,具有一定的精度与稳定性,是一种有前景的控制方式。
【关键词】：主动型假肢 分段仿射模型 预测控制 神经网络
【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
• ABSTRACT5-8
• 第一章 绪论8-16
• 1.1 课题的研究背景及意义8-9
• 1.2 主动型假肢的发展与常见的控制方法9-14
• 1.2.1 主动型膝上假肢的发展现状9-11
• 1.2.2 主动型假肢的常见控制方法11-13
• 1.2.3 控制方法的分析与改进13-14
• 1.3 研究内容14-16
• 第二章 人体下肢运动分析与数据采集16-28
• 2.1 人体下肢的运动状态分析16-19
• 2.2 人体下肢的运动模型与动力学分析19-20
• 2.3 相关数据的采集与前期处理20-27
• 2.3.1 足底压力信号-地面反作用力分析20-22
• 2.3.2 相关实验设备22-23
• 2.3.3 信号采集与预处理分析23-27
• 2.4 结语27-28
• 第三章 人体运动步态识别与建模28-48
• 3.1 人体下肢运动状态识别28-39
• 3.1.1 人体运动过程分析28-31
• 3.1.2 特征值提取与分析31-34
• 3.1.3 ELM神经网络简介34-37
• 3.1.4 人体行走的步态识别37-39
• 3.2 分段仿射模型的理论与建模39-47
• 3.2.1 分段仿射模型理论39-42
• 3.2.2 主动型假肢分段仿射模型的建立42-47
• 3.3 结语47-48
• 第四章 主动型膝上假肢的控制策略与仿真48-68
• 4.1 基于多参数规划的模型预测控制48-59
• 4.1.1 模型预测控制理论简介48-50
• 4.1.2 多参数规划理论50-52
• 4.1.3 基于多参数规划的模型预测控制理论52-56
• 4.1.4 跟踪问题的分段仿射系统控制策略解决方式56-57
• 4.1.5 控制策略的控制效果分析57-59
• 4.2 主动型膝上假肢的控制器设计59-63
• 4.3 利用SimMechanics模拟不同路况下的人体下肢运动63-67
• 4.4 结语67-68
• 第五章 总结与展望68-70
• 5.1 本文总结68-69
• 5.2 研究工作的展望69-70
• 参考文献70-74
• 攻读学位期间所取得的相关科研成果74-76
• 致谢76

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本文编号：358657