面向智能假肢控制的下肢关节运动模型研究

发布时间：2017-06-14 00:12

  本文关键词：面向智能假肢控制的下肢关节运动模型研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：为使膝上截肢者能够重返社会,假肢被用来代替缺损的肢体,弥补部分运动功能。相对于传统假肢的笨重、功能简单等缺点,主动型智能假肢表现出了巨大的优势,不仅能够使患者重新站立行走,而且能够提高生活质量。随着科学技术的飞速发展,各种新材料、新方法不断涌现,使得传统假肢手工工艺技术发展成为现今集材料学、机械、电子、计算机、生物和医学等多门学科于一体的交叉技术。假肢的结构和控制方法是假肢技术的两个重要部分。本文针对假肢控制中比较重要的运动模型预测进行研究,目的是建立一种能够适应不同行走速度的运动模型,并且该模型能够根据不同的人的特点进行调整。因此本文从以下几个方面着手研究:(1)人体下肢运动数据采集:针对正常人在平地上以不同的步速行走的情况,设计实验采集下肢运动信息,其中收集的数据包含三个关节(髋关节、膝关节和踝关节)的角度等运动信息以及地面反作用力;(2)建立膝关节运动模型:用两种方法(分相位多项式拟合法和整体傅里叶级数拟合法)分别对一个步态周期内的膝关节角度曲线进行分析,然后研究拟合函数中各个参数与步速之间的关系,从而建立步速跟随型的膝关节运动模型,并依据此模型对假肢膝关节进行控制;(3)基于傅里叶级数膝关节运动模型实验验证:在膝关节假肢模型样机实验平台的基础上,设计傅里叶级数膝关节运动模型验证实验。通过收集正常人一侧脚底的压力传感器信号,得到行走速度,继而算出假肢样机的膝关节运动曲线;与此同时,实验者穿戴角度传感器获取下肢膝关节运动数据,通过比较假肢样机运动曲线与实验者实际运动曲线来对上述方法建立的运动模型进行性能检验。通过研究分析,我们发现一个步态周期内的膝关节运动曲线用傅里叶级数拟合后,其基波角频率ω与步态周期成反比关系,其他正弦与余弦分量的幅值由于不同人行走的特点而分布不同,但有相同的趋势,因此我们提出了一种建立膝关节运动模型的方法-参数修正法。以其中一个人的膝关节运动模型作为参照,在它的基础上增加一组修正值,从而得到其他人的膝关节运动模型。经过仿真分析,基于傅里叶级数的膝关节运动模型与实际膝关节运动数据之间的误差在实际控制误差允许范围之内。最后通过实际假肢样机测试,参数修正法求出的膝关节运动模型可以适应一定的速度变化,并且该方法能够依据不同的人的特点进行参数调整以适应不同的人。
【关键词】：智能假肢 步速跟随 傅里叶级数 参数修正法
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP273;R318.17
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 课题研究目的和意义10-12
• 1.1.1 课题来源10
• 1.1.2 研究背景10-11
• 1.1.3 研究意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-17
• 1.2.1 假肢膝关节结构12-13
• 1.2.2 假肢控制方法13-15
• 1.2.3 国内外假肢运动预测模型研究15-17
• 1.3 研究内容17-18
• 第二章 人体运动数据采集与分析18-25
• 2.1 下肢运动数据采集18-22
• 2.1.1 数据收集系统简介18-20
• 2.1.2 运动信息采集实验设计20-21
• 2.1.3 实验数据预处理21-22
• 2.2 下肢运动基本规律22-24
• 2.2.1 步态周期性与相位划分22-23
• 2.2.2 不同步速下的膝关节运动规律23-24
• 2.3 本章小结24-25
• 第三章 膝关节运动模型建立方法25-42
• 3.1 基于步态相位的多项式拟合法25-31
• 3.2 基于步态周期的傅里叶级数拟合法31-35
• 3.2.1 拟合方法的确定31-34
• 3.2.2 基于傅里叶级数的运动模型建立34-35
• 3.3 两种建模方法的比较35-36
• 3.4 膝关节运动模型仿真36-41
• 3.4.1 单个人膝关节运动模型36-38
• 3.4.2 其他人膝关节运动模型38-40
• 3.4.3 运动模型仿真结果与分析40-41
• 3.5 本章小结41-42
• 第四章 基于运动模型的假肢控制实验研究42-54
• 4.1 假肢膝关节机械结构42-44
• 4.2 假肢控制硬件和软件部分44-47
• 4.3 假肢膝关节映射控制实验47-52
• 4.3.1 步态周期采集装置47-49
• 4.3.2 假肢映射控制实验49-52
• 4.4 本章小结52-54
• 第五章 结论54-56
• 参考文献56-62
• 攻读学位期间发表或撰写的论文62-63
• 致谢63-64

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

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本文编号：447975