主动型膝上假肢的预测控制研究

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1、分类号：密级：UDC：编号：河北工业大学硕士学位论文主动型膝上假肢的预测控制研究论文作者：张永昌学生类别：全日制专业学位类别：工程硕士领域名称：控制工程指导教师：张燕职称：教授资助基金项目：国家自然科学基金项目“适应复杂环境的主动型假肢建模与平稳控制机理研究”（61203323）DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofControlEngineeringRESEARCHONPREDICTIVECONTROLOFACTIVEABOVE-KNEEPROSTHESESbyZhang

2、YongchangSupervisor:Prof.ZhangYanMarch2015ThisworksupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina.No.61203323摘要主动型膝上假肢能够为截肢者的行走过程提供助力，完成多种步态情况下对健肢的跟随，满足截肢者的需求。因此，相对于传统假肢，主动型假肢的设计与研究有着重要的理论意义和应用价值。本文从采集、分析人体下肢的运动数据开始，将运动过程中的膝关节力矩与角度的对应关系转化为分段仿射模型，并用基于多参数规划的模型预测控制理论完成了控制器的构造，为主动型假肢的运动控

3、制提供了一种思路。本文主要完成的内容有：1，对不同路况下的人体行走过程进行数据的采集，并通过采集到的信号和人体下肢的动力学模型求取膝关节在运动过程中的力矩。2，对人体下肢运动信号的特征值进行分析，通过建立极限学习机分类器，完成对不同路况下的人体步态进行识别。根据分段仿射系统理论与非线性系统线性化理论，对不同路况下的运动过程建立分段仿射模型。3，用多参数规划理论对最优二次规划问题进行求解，得到不同状态分区下的离线控制律，将预测控制的在线滚动优化过程转变为在线查表计算过程，完成控制器的设计。该控制器将建模、二次规划问题的求解等需要大量耗时的工作在离线进行，在线进行的工作主要有：

4、通过脚底压力信号判断步态起始、采集足够的数据来进行步态识别、选择对应步态的控制器、通过采集到的信号确定当前步态时刻并通过查表法计算控制信号、将控制信号作用于被控对象，完成对主动型假肢膝关节的控制。该控制方法在线计算量小，并能够实现主动型假肢的闭环控制，具有一定的精度与稳定性，是一种有前景的控制方式。关键词：主动型假肢分段仿射模型预测控制神经网络IABSTRACTActiveabove-knee-prostheses(AKP)canprovideamputeeswithwalkingassistanceandcanfollowthegaitofhealthylegs.Comp

5、aredtoconventionalpassiveprostheses,theresearchonAKPhasimportanttheoreticalsignificanceandapplicationvalue.Inthispaper,basedonthemotiondatawhichcollectedandanalyzedfromthehumanlowerlimb,apiecewiseaffinemodelcanbeestablishedtodescribethecorrespondencebetweenthekneetorqueandthekneeangle.Then

6、amodelpredictivecontrollerbasedonmulti-parametricprogrammingtheoryisbuilt.ThiscontrolalgorithmcanprovideanewideafortheactiveAKPmotioncontrol.Themaincontentofthedissertationcouldbepresentedasfollows:1.Firstly,thedataiscollectedandanalyzedwhenthesubjectwalksindifferentroadconditions.Then,the

7、kneetorquecanbecalculatedbythetesteddataandthedynamicmodelofhumanlowerlimb.2.Extremelearningmachineclassifierisbuiltforhumangaitrecognitionafteranalyzingthecharacterhumanlimbsmotion.Themotionmodelsunderdifferentgaitareestablishedbasedonpiecewiseaffinesystemsth