面向智能假肢控制的下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)模型研究.pdf

1、為使膝上截肢者能夠重返社會(huì)，假肢被用來(lái)代替缺損的肢體，彌補(bǔ)部分運(yùn)動(dòng)功能。相對(duì)于傳統(tǒng)假肢的笨重、功能簡(jiǎn)單等缺點(diǎn)，主動(dòng)型智能假肢表現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢(shì)，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(xué)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(xué)、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、生物和醫(yī)學(xué)等多門(mén)學(xué)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(gè)重要部分。本文針對(duì)假肢控制中比較重要的運(yùn)動(dòng)模型預(yù)測(cè)進(jìn)行

2、研究，目的是建立一種能夠適應(yīng)不同行走速度的運(yùn)動(dòng)模型，并且該模型能夠根據(jù)不同的人的特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。因此本文從以下幾個(gè)方面著手研究：
　　(1)人體下肢運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集：針對(duì)正常人在平地上以不同的步速行走的情況，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)采集下肢運(yùn)動(dòng)信息，其中收集的數(shù)據(jù)包含三個(gè)關(guān)節(jié)（髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)）的角度等運(yùn)動(dòng)信息以及地面反作用力；
　　(2)建立膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)模型：用兩種方法（分相位多項(xiàng)式擬合法和整體傅里葉級(jí)數(shù)擬合法）分別對(duì)一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)的膝關(guān)節(jié)

3、角度曲線進(jìn)行分析，然后研究擬合函數(shù)中各個(gè)參數(shù)與步速之間的關(guān)系，從而建立步速跟隨型的膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)模型，并依據(jù)此模型對(duì)假肢膝關(guān)節(jié)進(jìn)行控制；
　　(3)基于傅里葉級(jí)數(shù)膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：在膝關(guān)節(jié)假肢模型樣機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)傅里葉級(jí)數(shù)膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)模型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。通過(guò)收集正常人一側(cè)腳底的壓力傳感器信號(hào)，得到行走速度，繼而算出假肢樣機(jī)的膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)曲線；與此同時(shí)，實(shí)驗(yàn)者穿戴角度傳感器獲取下肢膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，通過(guò)比較假肢樣機(jī)運(yùn)動(dòng)曲線與實(shí)驗(yàn)者實(shí)

4、際運(yùn)動(dòng)曲線來(lái)對(duì)上述方法建立的運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行性能檢驗(yàn)。
　　通過(guò)研究分析，我們發(fā)現(xiàn)一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)的膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)曲線用傅里葉級(jí)數(shù)擬合后，其基波角頻率ω與步態(tài)周期成反比關(guān)系，其他正弦與余弦分量的幅值由于不同人行走的特點(diǎn)而分布不同，但有相同的趨勢(shì)，因此我們提出了一種建立膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)模型的方法-參數(shù)修正法。以其中一個(gè)人的膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)模型作為參照，在它的基礎(chǔ)上增加一組修正值，從而得到其他人的膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)模型。經(jīng)過(guò)仿真分析，基于傅里葉級(jí)數(shù)的膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)模型