一種智能仿生人工腿的設(shè)計及性能仿真研究.pdf

1、智能仿生人工腿將智能控制理論、微電子技術(shù)、機械設(shè)計與制造技術(shù)以及生物醫(yī)學(xué)工程等融合在一起，是機器人學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域一個備受關(guān)注的研究課題。而采用虛擬樣機技術(shù)進行人工腿的性能仿真和設(shè)計優(yōu)化研究，則是智能仿生人工腿研究的重要發(fā)展方向。 以前所開展的智能人工腿相關(guān)研究存在以下三方面不足：第一，沒有建立完整的人工腿流體控制裝置模型，只能通過長期的臨床試驗來確定人工腿步行速度與電機控制之間的關(guān)系；第二，世界上現(xiàn)有的人工腿虛擬樣機模型過

2、于簡單，性能仿真評估結(jié)果的可信度較低；第三，目前還無人做過智能仿生人工腿的性能仿真研究。 針對以上不足，我們提出了一種全新的智能仿生人工腿性能仿真體系，并將其用于我們研制的國內(nèi)首臺智能仿生人工腿CIP-I Leg的性能仿真和參數(shù)優(yōu)化設(shè)計中。本文首先對國內(nèi)外智能人工腿的總體研究狀況及基本理論作了一些介紹，在此基礎(chǔ)上，對CIP-I Leg的重要組成部分及步速調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行了設(shè)計研究。CIP-I Leg是一款氣壓控制單軸膝關(guān)節(jié)型智能仿生

3、人工腿，靠安放在其內(nèi)部的一新型二級伸縮氣缸的伸縮來實現(xiàn)自由擺動。氣缸尾部的電機可以控制氣缸內(nèi)一個針閥的開度，通過改變針閥開度可以調(diào)節(jié)膝關(guān)節(jié)彎曲和伸展的阻尼，從而達到改變CIP-I Leg擺動速度的目的。依照新的設(shè)計仿真體系，本文利用流體力學(xué)基本原理建立了氣缸的氣體動力學(xué)模型，并將該模型與擺動相期間人體下肢的數(shù)學(xué)模型聯(lián)立起來，推導(dǎo)出了針閥開度與氣壓阻尼力之間的對應(yīng)關(guān)系。通過在MATALB環(huán)境下建立的交互式仿真平臺，可以判斷該氣缸能為人工腿

4、擺動相的精確控制提供合適的動力。在虛擬樣機的性能仿真部分，本文把在SolidWorks中完成的CIP-ILeg和人體下肢殘肢的三維模型導(dǎo)入到ADAMS中，并添加相關(guān)約束以建立完整的樣機模型。最終，在0.75m／s步行速度下對CIP-I Leg的樣機模型進行了參數(shù)化仿真分析。 參照現(xiàn)有的人工腿性能評判標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果表明CIP-I Leg在擺動相期間具有良好的運動學(xué)和動力學(xué)性能，而且該虛擬樣機模型能實現(xiàn)CIP-I Leg的性能仿真評估。