下肢運(yùn)動(dòng)模式識(shí)別及動(dòng)力型假肢膝關(guān)節(jié)控制方法研究.pdf

1、　　高性能假肢膝關(guān)節(jié)為大腿截肢者恢復(fù)正常下肢功能與重返社會(huì)活動(dòng)提供有力保障。目前進(jìn)入市場假肢膝關(guān)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)行走功能，長時(shí)間穿戴假肢因?yàn)椴綉B(tài)不對稱會(huì)對殘端肌肉與骨骼造成影響。動(dòng)力型假肢膝關(guān)節(jié)能夠利用動(dòng)力元件提供支撐期推力與擺動(dòng)期的伸展運(yùn)動(dòng)，因此控制信號的獲取以及運(yùn)動(dòng)角度的高度擬人特性是動(dòng)力型假肢膝關(guān)節(jié)控制精度的重要保證。本課題研究的動(dòng)力型假肢膝關(guān)節(jié)將建立截肢者殘肢運(yùn)動(dòng)信息采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)下肢典型周期性運(yùn)動(dòng)模式的識(shí)別，基于有限狀態(tài)機(jī)對動(dòng)力型假

2、肢膝關(guān)節(jié)控制方法進(jìn)行研究，本文主要研究內(nèi)容如下：
　　1. 利用VICON三維步態(tài)運(yùn)動(dòng)信息采集系統(tǒng)，對五種典型周期性運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)信息進(jìn)行采集，得到下肢各標(biāo)志點(diǎn)位置以及下肢髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)在五種運(yùn)動(dòng)中的角度變化范圍。利用AMTI與Novel Pedar-X測力系統(tǒng)得到五種運(yùn)動(dòng)中的地面反力信息，劃分步態(tài)周期并定義步態(tài)典型運(yùn)動(dòng)。采集穿戴被動(dòng)式假肢的殘疾人下肢關(guān)節(jié)角度信息，通過對比五種路況健肢側(cè)與殘肢側(cè)角度變化得出穿戴被動(dòng)式假肢不

3、僅使步態(tài)不對稱而且增加了健肢側(cè)的負(fù)擔(dān)。
　　2. 根據(jù)人機(jī)工程學(xué)中人體分段原理，利用Solidworks軟件建立人體下肢3D模型，將Vicon中測量的下肢各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度數(shù)據(jù)作為3D模型的輸入數(shù)據(jù)，得到各關(guān)節(jié)角度、速度與加速度信息進(jìn)行人體下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。將人體下肢簡化為3剛體模型，以牛頓第二定律與牛頓-歐拉平衡方程為基礎(chǔ)建立動(dòng)力學(xué)計(jì)算公式，得到五種運(yùn)動(dòng)模式中力矩與功率信息，對人體下肢動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析。
　　3. 為動(dòng)力型膝上

4、假肢設(shè)計(jì)了傳感器系統(tǒng)，包含運(yùn)動(dòng)信息的采集與腳底壓力信息的采集，采集五種典型周期性運(yùn)動(dòng)的髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信息，利用 KNN 算法實(shí)現(xiàn)步態(tài)識(shí)別。在腳前掌與腳后跟安裝壓力傳感器實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整步態(tài)不同時(shí)期的檢測。此傳感器系統(tǒng)能夠很好的實(shí)現(xiàn)下肢運(yùn)動(dòng)模式識(shí)別。
　　4. 動(dòng)力型假肢膝關(guān)節(jié)要求不僅能夠?yàn)榇┐髡咝凶咛峁┧璧膭?dòng)力，而且要達(dá)到與健肢側(cè)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。所研究的五種人體下肢運(yùn)動(dòng)步態(tài)具有很強(qiáng)的重復(fù)性和周期性，本課題采用基于傳感器驅(qū)動(dòng)“有限狀態(tài)機(jī)”(