主动式膝上假肢仿生控制方法及实验研究

发布时间：2017-04-29 12:01

  本文关键词：主动式膝上假肢仿生控制方法及实验研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在医疗技术迅速发展的时代，，截肢者对于假肢舒适度的要求越来越高。主动式假肢能为截肢者提供一定的助力，尤其是在上楼梯和上斜坡。由此提出了“生物启发（Biological Inspiration）”式的基于中枢模式发生器的主动式膝上假肢仿生控制的构想。本文主要研究内容如下： 1、了解人体下肢的运动规律以及步态的相关知识，并且通过检测人体下肢髋关节和膝关节的运动轨迹更深入的了解人体下肢运动的周期性、节律性、多样性和差异性等特征。 2、分析人体的节律运动控制机理，提出基于中枢模式发生器的步态控制方法。利用改进的Hopf振荡器对膝关节进行CPG建模，离线学习5种路况下正常速度行走的膝关节角度轨迹。为了能够再现膝关节角度，构造重构方程，根据离线学习到的3组参数值重构5种路况下膝关节行走时的角度轨迹，方便在线控制。 3、运用Matlab进行仿真，结果表明使用CPG得到的膝关节角度轨迹与人体关节角度的变化趋势相同，并且可以实现根据路况、速度实时调节，实现了运动的多样性和步态的转换。 4、搭建了双下肢假肢实验平台，使用Labview在双下肢控制平台上对仿真结果进行验证。实验结果验证了使用CPG控制步速切换以及各个路况下的行走是可行的。 在很多情况下，假肢穿戴者无法按照自己的感受调整下肢假肢使之发挥完全的功能，本文不仅能够实现截肢者自由调整步速，而且能够随着路况的改变而调节，满足日常生活的需要。
【关键词】：主动式假肢 CPG Hopf振荡器 重构方程 Matlab仿真
【学位授予单位】：河北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R318.17;TP273
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-8
• 第一章 绪论8-16
• 1.1 课题研究的背景和意义8-9
• 1.2 国内外研究现状9-13
• 1.2.1 假肢的研究现状9-11
• 1.2.2 CPG 的研究现状11-13
• 1.3 主要研究内容13-16
• 第二章 下肢运动信号的采集与分析16-22
• 2.1 步态的相关定义16-17
• 2.2 检测运动轨迹17-19
• 2.3 步态的分析19-21
• 2.3.1 个体间的差异性19
• 2.3.2 个体的差异性19-20
• 2.3.3 五种路况下的髋膝关节角度轨迹20-21
• 2.4 小结21-22
• 第三章 基于 CPG 仿生控制策略的研究22-32
• 3.1 CPG 仿生控制机理的研究22-25
• 3.1.1 CPG 的概念22-23
• 3.1.2 CPG 的控制机理23-25
• 3.2 CPG 的控制模型25-27
• 3.2.1 CPG 数学模型的选取25-26
• 3.2.2 Hopf 振荡器26-27
• 3.3 CPG 模型的改进27-30
• 3.3.1 学习方程27-29
• 3.3.2 重构方程29-30
• 3.4 小结30-32
• 第四章 基于 CPG 原理的 Matlab 仿真32-48
• 4.1 五种路况下的 Matlab 仿真32-44
• 4.1.1 平地行走的仿真32-36
• 4.1.2 上楼梯的仿真36-38
• 4.1.3 下楼梯的仿真38-40
• 4.1.4 上斜坡的仿真40-42
• 4.1.5 下斜坡的仿真42-44
• 4.2 基于 CPG 的主动式假肢控制方法44-47
• 4.3 小结47-48
• 第五章 基于双下肢仿生平台的验证48-60
• 5.1 双下肢平台的介绍48-50
• 5.2 LabVIEW 及其接口50-53
• 5.3 验证53-58
• 5.4 小结58-60
• 第六章 结论60-62
• 6.1 课题的主要工作及创新点60-61
• 6.2 研究展望61-62
• 参考文献62-66
• 致谢66-68
• 攻读学位期间所获得的相关科研成果68

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