面向智能假肢控制的下肢關節(jié)運動模型研究.pdf

1、為使膝上截肢者能夠重返社會，假肢被用來代替缺損的肢體，彌補部分運動功能。相對于傳統(tǒng)假肢的笨重、功能簡單等缺點，主動型智能假肢表現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢，不僅能夠使患者重新站立行走，而且能夠提高生活質(zhì)量。隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，各種新材料、新方法不斷涌現(xiàn)，使得傳統(tǒng)假肢手工工藝技術(shù)發(fā)展成為現(xiàn)今集材料學、機械、電子、計算機、生物和醫(yī)學等多門學科于一體的交叉技術(shù)。假肢的結(jié)構(gòu)和控制方法是假肢技術(shù)的兩個重要部分。本文針對假肢控制中比較重要的運動模型預測進行

2、研究，目的是建立一種能夠適應不同行走速度的運動模型，并且該模型能夠根據(jù)不同的人的特點進行調(diào)整。因此本文從以下幾個方面著手研究：
　　(1)人體下肢運動數(shù)據(jù)采集：針對正常人在平地上以不同的步速行走的情況，設計實驗采集下肢運動信息，其中收集的數(shù)據(jù)包含三個關節(jié)（髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)）的角度等運動信息以及地面反作用力；
　　(2)建立膝關節(jié)運動模型：用兩種方法（分相位多項式擬合法和整體傅里葉級數(shù)擬合法）分別對一個步態(tài)周期內(nèi)的膝關節(jié)

3、角度曲線進行分析，然后研究擬合函數(shù)中各個參數(shù)與步速之間的關系，從而建立步速跟隨型的膝關節(jié)運動模型，并依據(jù)此模型對假肢膝關節(jié)進行控制；
　　(3)基于傅里葉級數(shù)膝關節(jié)運動模型實驗驗證：在膝關節(jié)假肢模型樣機實驗平臺的基礎上，設計傅里葉級數(shù)膝關節(jié)運動模型驗證實驗。通過收集正常人一側(cè)腳底的壓力傳感器信號，得到行走速度，繼而算出假肢樣機的膝關節(jié)運動曲線；與此同時，實驗者穿戴角度傳感器獲取下肢膝關節(jié)運動數(shù)據(jù)，通過比較假肢樣機運動曲線與實驗者實

4、際運動曲線來對上述方法建立的運動模型進行性能檢驗。
　　通過研究分析，我們發(fā)現(xiàn)一個步態(tài)周期內(nèi)的膝關節(jié)運動曲線用傅里葉級數(shù)擬合后，其基波角頻率ω與步態(tài)周期成反比關系，其他正弦與余弦分量的幅值由于不同人行走的特點而分布不同，但有相同的趨勢，因此我們提出了一種建立膝關節(jié)運動模型的方法-參數(shù)修正法。以其中一個人的膝關節(jié)運動模型作為參照，在它的基礎上增加一組修正值，從而得到其他人的膝關節(jié)運動模型。經(jīng)過仿真分析，基于傅里葉級數(shù)的膝關節(jié)運動模型