动力大腿假肢楼梯步态规划与控制

发布时间：2024-03-28 03:19

　　动力大腿假肢可以弥补传统被动假肢因膝、踝关节缺少动力元件,而无法帮助大腿截肢者在上楼过程中完成身体抬升,以及在下楼过程中的提供稳定支撑的问题。但现有动力假肢楼梯步态控制策略还停留在较底的关节层面,即通过模仿人体关节的力矩输出特性,从而达到助力的效果,并未从整体的角度考虑动力假肢和残肢对人体的综合作用。针对以上问题,本文结合足式机器人控制技术,提出一种基于虚拟模型的步态控制方法,从下肢整体的角度出发,用以帮助截肢者获得更好的楼梯行走体验。论文的主要工作和成果有:(1)以压力中心和质心为基点,构建了人体下肢虚拟模型。根据健康人楼梯行走实验中所采集的下肢生物力学信息,分析了人体上下楼过程中支撑期的质心功率、虚拟腿沿腿力F_N、摆动角度α以及足部水平夹角θ_f等数据的变化规律,为动力假肢楼梯虚拟模型控制器的设计提供了生物力学基础。(2)结合第一代动力假肢的缺陷以及集成化等新的需求,设计了第二代动力大腿假肢,为楼梯虚拟模型控制器的实施提供了稳定的平台。放弃踝关节基于串联弹性驱动器的设计方案,改用高功率密度力矩电机加小减速比减速器的搭配,降低了控制难度,增大...

【文章页数】：77 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 课题研究的背景和意义
    1.2 国内外研究现状及分析
    1.3 文献综述
    1.4 论文研究内容
第2章 健康人楼梯步态生物力学分析
    2.1 引言
    2.2 健康人楼梯行走实验方案
    2.3 数据处理方法
    2.4 数据分析结果
        2.4.1 上楼下肢步态生物力学分析
        2.4.2 下楼下肢步态生物力学分析
    2.5 本章小结
第3章 动力大腿假肢的硬件平台搭建
    3.1 引言
    3.2 动力假肢总体设计方案
        3.2.1 机械结构方案
        3.2.2 控制系统架构
    3.3 假肢硬件平台设计目标
        3.3.1 第一代动力大腿假肢简介
        3.3.2 自由度及几何参数指标
        3.3.3 关节力矩与功率需求
        3.3.4 稳定的足底信号
        3.3.5 假肢硬件系统集成
    3.4 系统关键零部件选择
        3.4.1 动力与传动方案
        3.4.2 关节信息获取
        3.4.3 足底信号获取
        3.4.4 嵌入式处理器
    3.5 本章小结
第4章 虚拟模型控制器设计
    4.1 引言
    4.2 楼梯步态控制器总体方案
    4.3 虚拟模型的建模及参数计算
    4.4 虚拟腿阻抗控制器
    4.5 基于有限状态机的步态控制器设计
        4.5.1 上楼步态控制器
        4.5.2 下楼步态控制器
    4.6 本章小结
第5章 楼梯步态控制器效果评估
    5.1 引言
    5.2 实验方案设计
    5.3 数据处理方法
    5.4 实验数据分析
        5.4.1 上楼运动学和动力学数据分析
        5.4.2 下楼运动学和动力学数据分析
    5.5 本章小节
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
致谢



本文编号：3940920