动力踝关节假肢机构与控制研究

发布时间：2017-10-09 08:33

  本文关键词：动力踝关节假肢机构与控制研究

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【摘要】：在国家自然科学基金《基于能量优化的外骨骼可控刚度串联弹性执行器研究》(51275170)的资助下,本课题对动力踝关节假肢开展研究工作。踝关节假肢是助力机器人、康复机器人领域的一个重要研究方向。这种类别的假肢通过提供额外动力的方式,使其具有类似人体踝关节的步态行走特性,能够走出自然顺畅的步伐,更加逼真的实现正常人体行走的整个过程,使穿戴者能够更好的适应外界环境,具有非常重要的意义。本文对人体水平地面行走步态进行分析,研究行走过程中阻抗变化规律,基于串联弹性执行器原理,采用Solidworks和Workbench对动力踝关节假肢进行设计和优化。建立数学模型,并在Adams中进行多刚体以及固柔耦合动力学仿真分析。根据步态状态机分析和控制理论,基于Matlab/Simulink建立联合仿真控制平台,对踝关节假肢进行控制研究。采用BP神经网络控制方法对踝关节假肢步态数据进行研究和探讨。通过对动力踝关节假肢模型的动力学仿真和控制研究,改善了运动特性,满足假肢设计需求,获得期望阻抗控制变化曲线,具有较好的仿生特性,为后续踝关节假肢研究工作提供技术基础。
【关键词】：假肢 动力学 仿真 控制 执行器
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R318.17;TP183
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 课题研究背景及意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-15
• 1.2.1 国外研究现状11-13
• 1.2.2 国内研究现状13-15
• 1.3 本文主要研究工作15-17
• 1.4 本章小结17-18
• 第2章 踝关节行走步态研究18-27
• 2.1 人体踝关节模型原理18-20
• 2.2 步态周期分析20-23
• 2.2.1 步态阶段划分20-21
• 2.2.2 步态阻抗曲线21-23
• 2.2.3 踝关节模型阻抗分析23
• 2.3 国内外阻抗曲线解决方案23-25
• 2.4 期望理想阻抗曲线25-26
• 2.5 本章小结26-27
• 第3章 动力踝关节假肢设计27-37
• 3.1 引言27
• 3.2 串联弹性执行器原理27-29
• 3.3 踝关节假肢机械结构29-32
• 3.4 串联弹簧设计32-34
• 3.5 并联弹簧受力变形分析34-35
• 3.6 本章小结35-37
• 第4章 多刚体动力学仿真37-49
• 4.1 踝关节假肢数学模型37-38
• 4.2 计算机辅助设计技术38-39
• 4.3 仿真模型建立39-42
• 4.4 simulation control模块42-43
• 4.5 正弦函数驱动43-44
• 4.6 mod函数驱动44-45
• 4.7 多刚体仿真结果分析45-48
• 4.8 本章小结48-49
• 第5章 固柔耦合动力学性能分析49-62
• 5.1 柔性体分析模块49-51
• 5.1.1 flex柔性体理论49
• 5.1.2 柔性体的表示49-50
• 5.1.3 柔体运动微分方程50-51
• 5.2 中性模态研究51-53
• 5.2.1 模态文件概述51
• 5.2.2 柔性模态文件研究51-53
• 5.3 固柔耦合模型仿真53-55
• 5.3.1 柔性模态文件数据输入53-54
• 5.3.2 样条曲线驱动研究54-55
• 5.4 仿真结果分析55-58
• 5.5 弹性板刚度讨论58-61
• 5.5.1 板厚和刚性域数据测试58-59
• 5.5.2 刚度影响分析59-61
• 5.6 本章小结61-62
• 第6章 动力踝关节控制研究62-78
• 6.1 踝关节假肢控制目标62-63
• 6.2 交互仿真方法研究63-67
• 6.2.1 联合仿真平台63-64
• 6.2.2 PID交互仿真控制64-67
• 6.3 步态有限状态机及阻抗规划67-70
• 6.4 关节阻抗控制模型研究70-71
• 6.5 前馈补偿控制研究71-73
• 6.6 联合运动控制仿真73-76
• 6.7 仿真结果分析76-77
• 6.8 本章小结77-78
• 第7章 基于BP神经网络的步态数据分析78-84
• 7.1 神经网络概述78
• 7.2 BP神经网络结构78-79
• 7.3 实验和结果分析79-83
• 7.4 本章小结83-84
• 第8章 结论与展望84-86
• 8.1 论文结论84-85
• 8.2 研究展望85-86
• 参考文献86-90
• 致谢90-91
• 攻读硕士学位期间科研成果91

【参考文献】

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本文编号：999186