步态自适应仿生膝关节假肢系统建模及智能控制方法研究
发布时间：2023-10-22 10:52
安装假肢是当前下肢截肢患者恢复行走能力的唯一手段。对于膝上截肢患者来说,膝关节是其所穿戴下肢假肢系统最重要的关节组件。传统膝关节假肢作为纯机械系统,缺少类人行为的感知与交互控制系统,不能自动适应步速、步态时相和运动模式等步态的变化,造成穿戴者运动能力的降低、畸形步态以及能量消耗的增加。随着现代假肢学的进步,融合机械仿生、多源传感和主动控制的智能膝关节假肢,已经成为膝上截肢者提高行走能力、实现生理步态的重要手段。智能膝关节假肢研究的关键在于如何通过仿生系统建模和合适的智能控制方法,实现步态(相位、步速、运动模式)自适应。因此,本文拟进行步态自适应仿生膝关节假肢系统建模及智能控制方法研究,重点研究液压阻尼智能膝关节假肢系统建模,并基于运动学、力学信息建立适应不同人体、变化步速与运动模式的智能交互控制机理与方法。具体研究内容如下:(1)智能仿生膝关节结构及人机耦合动力学建模。通过阻尼型和动力型智能膝关节假肢工作特性与正常人膝关节工作机理对比研究,确定了阻尼仿生方式。进而对膝关节假肢结构特性和智能膝关节假肢不同类型阻尼特性进行研究,提出了基于液压阻尼的智能仿生膝关节假肢机械结构设计方法,重点研...
【文章页数】：138 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
1.2 智能膝关节假肢研究现状
1.2.1 智能膝关节假肢结构设计研究现状
1.2.2 膝关节假肢的智能感知及控制方法研究现状
1.3 智能膝关节假肢研究的关键难题
1.4 课题来源和主要研究内容
1.4.1 课题来源
1.4.2 课题主要研究内容
1.5 课题研究的创新点
1.6 本章小结
第二章 智能仿生膝关节结构及其人机耦合建模
2.1 假肢学术语
2.1.1 下肢关节运动空间参数划分
2.1.2 下肢截肢的分类及大腿假肢构成
2.2 智能假肢膝关节结构设计要求
2.2.1 不同类型传统膝关节功能特性分析
2.2.2 智能膝关节不同类型阻尼特性分析
2.2.3 智能膝关节机械结构整体设计方案
2.3 智能膝关节电控液压阻尼缸结构建模
2.3.1 单电机直推板式电控流量调节阻尼缸
2.3.2 单电机蝶形阀片式电控流量调节阻尼缸
2.3.3 单电机正交式电控流量调节阻尼缸
2.3.4 双电机扇形口式电控流量调节阻尼缸
2.3.5 双电机针阀式电控流量调节阻尼缸
2.3.6 智能膝关节假肢电控液压阻尼缸结构确定
2.4 智能膝关节假肢耦合建模
2.4.1 下肢假肢系统动力学建模研究分析
2.4.2 下肢假肢系统摆动相动力学建模
2.4.3 液压阻尼器计算模型
2.4.4 摆动相阻尼力矩模拟仿真
2.5 本章小结
第三章 典型运动模式下智能膝关节步态变换机制
3.1 智能膝关节传感系统硬件
3.2 智能膝关节平地行走步态相位识别研究
3.2.1 正常人平地行走步态周期划分
3.2.2 智能膝关节穿戴者平地行走步态相位目标分析
3.2.3 智能膝关节平地行走步态相位识别及控制区间划分
3.2.4 智能膝关节步态相位识别特殊腿管设计
3.2.5 智能膝关节平地行走步态相位识别算法
3.2.6 智能膝关节平地行走阻尼调节方式
3.3 智能膝关节上/下楼梯步态相位识别及阻尼控制研究
3.3.1 上楼梯方式分析
3.3.2 上楼梯相位识别及阻尼控制方式
3.3.3 下楼梯方式分析
3.3.4 下楼梯阻尼控制方式
3.4 智能膝关节上/下坡步态相位识别及阻尼控制研究
3.4.1 上坡行走步态
3.4.2 上坡行走步态相位转换及阻尼控制方式
3.4.3 下坡行走步态
3.4.4 下坡行走步态相位转换及阻尼控制方式
3.5 基于下肢关节角度的运动模式识别神经网络算法可行性研究
3.5.1 下肢关节角度信息采集和特征提取
3.5.2 BP神经网络及其优化分类算法
3.5.3 基于随机梯度下降的BP神经网络的模型仿真
3.5.4 基于动量梯度的BP神经网络模型仿真
3.5.5 基于改进的L-M反传算法的神经网络模型仿真
3.6 本章小结
第四章 膝关节假肢速度自适应智能控制算法研究
4.1 基于摆动相最大屈曲角度的模糊逻辑速度自适应控制算法研究
4.1.1 健康人摆动相最大屈曲角度测试实验
4.1.2 行走速度识别方法确定
4.1.3 行走速度调节控制方案
4.1.4 基于模糊逻辑建立步速知识库
4.2 基于神经网络模型预测控制的步速自适应调节算法
4.2.1 预测控制基本原理
4.2.2 基于神经网络预测控制的膝关节摆动相控制算法结构
4.2.3 NARX神经网络结构与原理
4.2.4 NARX神经网络模型预测膝关节角度过程
4.2.5 微粒群优化算法的结构与原理
4.2.6 智能膝关节摆动期预测控制仿真
4.3 本章小结
第五章 智能膝关节性能测试实验研究
5.1 智能膝关节液压阻尼实验样机试制
5.2 智能膝关节性能评估研究现状
5.3 智能膝关节性能评估研究参数分析
5.4 智能膝关节平地行走模拟测试研究
5.4.1 智能膝关节功能模拟与测试平台搭建
5.4.2 智能膝关节功能模拟与测试平台验证测试
5.4.3 智能膝关节摆动相最大屈曲角度速度自适应实验研究
5.4.4 智能膝关节假肢步态对称性实验研究
5.5 智能膝关节穿戴测试实验研究
5.5.1 实验方法
5.5.2 实验结果
5.6 本章小结
第六章 全文总结与展望
6.1 全文工作总结
6.2 未来工作展望
参考文献
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果
致谢
本文编号：3856371
【文章页数】：138 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
1.2 智能膝关节假肢研究现状
1.2.1 智能膝关节假肢结构设计研究现状
1.2.2 膝关节假肢的智能感知及控制方法研究现状
1.3 智能膝关节假肢研究的关键难题
1.4 课题来源和主要研究内容
1.4.1 课题来源
1.4.2 课题主要研究内容
1.5 课题研究的创新点
1.6 本章小结
第二章 智能仿生膝关节结构及其人机耦合建模
2.1 假肢学术语
2.1.1 下肢关节运动空间参数划分
2.1.2 下肢截肢的分类及大腿假肢构成
2.2 智能假肢膝关节结构设计要求
2.2.1 不同类型传统膝关节功能特性分析
2.2.2 智能膝关节不同类型阻尼特性分析
2.2.3 智能膝关节机械结构整体设计方案
2.3 智能膝关节电控液压阻尼缸结构建模
2.3.1 单电机直推板式电控流量调节阻尼缸
2.3.2 单电机蝶形阀片式电控流量调节阻尼缸
2.3.3 单电机正交式电控流量调节阻尼缸
2.3.4 双电机扇形口式电控流量调节阻尼缸
2.3.5 双电机针阀式电控流量调节阻尼缸
2.3.6 智能膝关节假肢电控液压阻尼缸结构确定
2.4 智能膝关节假肢耦合建模
2.4.1 下肢假肢系统动力学建模研究分析
2.4.2 下肢假肢系统摆动相动力学建模
2.4.3 液压阻尼器计算模型
2.4.4 摆动相阻尼力矩模拟仿真
2.5 本章小结
第三章 典型运动模式下智能膝关节步态变换机制
3.1 智能膝关节传感系统硬件
3.2 智能膝关节平地行走步态相位识别研究
3.2.1 正常人平地行走步态周期划分
3.2.2 智能膝关节穿戴者平地行走步态相位目标分析
3.2.3 智能膝关节平地行走步态相位识别及控制区间划分
3.2.4 智能膝关节步态相位识别特殊腿管设计
3.2.5 智能膝关节平地行走步态相位识别算法
3.2.6 智能膝关节平地行走阻尼调节方式
3.3 智能膝关节上/下楼梯步态相位识别及阻尼控制研究
3.3.1 上楼梯方式分析
3.3.2 上楼梯相位识别及阻尼控制方式
3.3.3 下楼梯方式分析
3.3.4 下楼梯阻尼控制方式
3.4 智能膝关节上/下坡步态相位识别及阻尼控制研究
3.4.1 上坡行走步态
3.4.2 上坡行走步态相位转换及阻尼控制方式
3.4.3 下坡行走步态
3.4.4 下坡行走步态相位转换及阻尼控制方式
3.5 基于下肢关节角度的运动模式识别神经网络算法可行性研究
3.5.1 下肢关节角度信息采集和特征提取
3.5.2 BP神经网络及其优化分类算法
3.5.3 基于随机梯度下降的BP神经网络的模型仿真
3.5.4 基于动量梯度的BP神经网络模型仿真
3.5.5 基于改进的L-M反传算法的神经网络模型仿真
3.6 本章小结
第四章 膝关节假肢速度自适应智能控制算法研究
4.1 基于摆动相最大屈曲角度的模糊逻辑速度自适应控制算法研究
4.1.1 健康人摆动相最大屈曲角度测试实验
4.1.2 行走速度识别方法确定
4.1.3 行走速度调节控制方案
4.1.4 基于模糊逻辑建立步速知识库
4.2 基于神经网络模型预测控制的步速自适应调节算法
4.2.1 预测控制基本原理
4.2.2 基于神经网络预测控制的膝关节摆动相控制算法结构
4.2.3 NARX神经网络结构与原理
4.2.4 NARX神经网络模型预测膝关节角度过程
4.2.5 微粒群优化算法的结构与原理
4.2.6 智能膝关节摆动期预测控制仿真
4.3 本章小结
第五章 智能膝关节性能测试实验研究
5.1 智能膝关节液压阻尼实验样机试制
5.2 智能膝关节性能评估研究现状
5.3 智能膝关节性能评估研究参数分析
5.4 智能膝关节平地行走模拟测试研究
5.4.1 智能膝关节功能模拟与测试平台搭建
5.4.2 智能膝关节功能模拟与测试平台验证测试
5.4.3 智能膝关节摆动相最大屈曲角度速度自适应实验研究
5.4.4 智能膝关节假肢步态对称性实验研究
5.5 智能膝关节穿戴测试实验研究
5.5.1 实验方法
5.5.2 实验结果
5.6 本章小结
第六章 全文总结与展望
6.1 全文工作总结
6.2 未来工作展望
参考文献
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果
致谢
本文编号：3856371
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/yxlbs/3856371.html
