基于磁流變效應的四連桿假肢膝關(guān)節(jié)及其構(gòu)成的下肢假肢的研究.pdf

1、下肢假肢是恢復膝上截肢者肢體功能和外觀的主要工具，是膝上截肢者返回社會生活的重要輔助裝置。假肢膝關(guān)節(jié)作為下肢假肢最重要的組成部分，不但需要滿足基本的行走功能需求，而且更需要模擬健康人的自然擺動，實現(xiàn)與穿戴者剩余肢體的運動協(xié)調(diào)。目前相對于采用氣壓式和液壓式阻尼器的智能假肢膝關(guān)節(jié)，基于磁流變效應的假肢膝關(guān)節(jié)具有響應快、阻尼連續(xù)可控、能耗低等優(yōu)點，已成為智能假肢膝關(guān)節(jié)研究的熱點方向之一。然而，已有的基于磁流變效應的假肢膝關(guān)節(jié)通常是將商業(yè)化的磁

2、流變阻尼器直接安裝在假肢膝關(guān)節(jié)上面，導致磁流變阻尼器不但占用空間較大，而且在行走過程中作相對于小腿假肢部件的來回擺動，從而對假肢膝關(guān)節(jié)的步態(tài)質(zhì)量產(chǎn)生一定程度的影響。因此，研究磁流變阻尼器在假肢膝關(guān)節(jié)上的集成原理與方法以及相應的控制方法具有重要的學術(shù)意義及實用價值。
　　為了解決上述問題，本文通過將四連桿機構(gòu)的上、下連桿分別與磁流變阻尼器的活塞桿和外缸體一體化提出并實現(xiàn)了一種新型的基于磁流變效應的四連桿假肢膝關(guān)節(jié)（Magnetorh

3、eological effect based four-bar linkage prosthetic knee,MRFLPK）的原理與結(jié)構(gòu)，并開發(fā)了原型樣機。采用開發(fā)的MRFLPK的原型樣機開發(fā)了基于磁流變效應的下肢假肢（MR lower limb prosthesis,MRLLP）。在此基礎(chǔ)上，仿真分析了MRLLP行走過程中MRFLPK的磁流變阻尼器所需要的阻尼力，研究了實現(xiàn)MRFLPK的小腿擺動控制的原理和方法。建立了MRLLP的快

4、速控制原型系統(tǒng)和實驗測試系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，對MRFLPK進行了實驗測試和分析。
　　本文的主要研究工作和創(chuàng)新點可以歸納為以下六個方面：
　　1.為了充分利用四連桿機構(gòu)準確模擬人體膝關(guān)節(jié)瞬心曲線的特點和磁流變阻尼器可控阻尼的特點，通過將四連桿機構(gòu)的上、下連桿分別與磁流變阻尼器的活塞桿和外缸體一體化提出并實現(xiàn)了一種MRFLPK的原理與結(jié)構(gòu)，其中，磁流變阻尼器的外缸體上端直接集成在四連桿機構(gòu)的下連桿下部，磁流變阻尼器的活塞桿通過擺

5、動連桿與四連桿機構(gòu)的上連桿連接。集成的磁流變阻尼器采用雙出桿結(jié)構(gòu)型式?；诖?，設(shè)計和開發(fā)了MRFLPK的原型樣機。采用提出并實現(xiàn)的MRFLPK，開發(fā)了一種MRLLP，包括開發(fā)的MRFLPK的原型樣機、小腿假肢部件、腳假肢部件和角度傳感器。
　　2.建立了MRFLPK及其構(gòu)成的MRLLP的運動學和動力學模型。根據(jù)建立的運動學和動力學模型，仿真分析了MRLLP行走過程中MRFLPK的磁流變阻尼器所需要的阻尼力。通過剛體動力學仿真軟件A

6、DAMS，對MRLLP的3D機械幾何模型行走過程中MRFLPK的磁流變阻尼器所需要的阻尼力進行了仿真。通過3D仿真結(jié)果與動力學模型仿真分析結(jié)果，分析了MRFLPK的磁流變阻尼器在行走時需要的期望阻尼力。
　　3.為了控制MRFLPK，采用基于運動參考曲線的MRFLPK軌跡跟蹤控制原理。其中，為了提供MRFLPK的運動參考曲線，提出了一種基于Rayleigh振蕩器的運動參考曲線生成器（Rayleigh oscillator base

7、d reference curve generator,RORCG）的原理。根據(jù)RORCG原理建立了實驗系統(tǒng)，對RORCG的有效性進行了實驗驗證。并采用計算力矩加PD反饋控制算法用于軌跡跟蹤控制。
　　4.為了測試MRFLPK，建立了MRLLP的快速控制原型系統(tǒng)，包括MRLLP、控制系統(tǒng)、角度傳感器和可控電流源。實驗時，控制系統(tǒng)由實時仿真系統(tǒng)（型號：dSPACE DS1103）建立。角度傳感器傳感MRFLPK的擺動角度。實時仿真系

8、統(tǒng)控制可控電流源向磁流變阻尼器輸出控制電流，改變磁流變阻尼器的阻尼力從而實現(xiàn)MRFLPK的擺動角度控制。
　　5.為了測試MRFLPK，開發(fā)了模擬人體下肢運動的大腿模擬器。在此基礎(chǔ)上，提出了一種用于模擬日常生活步態(tài)的受生物誘導的假肢膝關(guān)節(jié)實驗測試系統(tǒng)（Bio-inspired motion platform system for testing prosthetic knees,BIMPS）的原理，并開發(fā)了原型樣機。其中，BIMP

9、S采用生物誘導傳感器實時獲取測試者的大腿運動信息并作為運動參考信號實現(xiàn)大腿模擬器跟蹤測試者大腿運動的生物誘導控制。對大腿模擬器跟蹤理想的參考運動，以及大腿模擬器實時跟蹤測試者大腿日常運動的能力進行了實驗測試和分析。
　　6.基于建立的MRLLP快速控制原型系統(tǒng)和實驗測試系統(tǒng)，從三個方面測試和分析了MRFLPK的擺動角度。測試了MRFLPK在不同恒定電流控制下的擺動角度；基于大腿模擬器，測試了MRFLPK在計算力矩加PD反饋控制算法