主动式膝上假肢仿生控制方法与实验分析

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1、河北工业大学硕士学位论文摘要在医疗技术迅速发展的时代，截肢者对于假肢舒适度的要求越来越高。主动式假肢能为截肢者提供一定的助力，尤其是在上楼梯和上斜坡。由此提出了“生物启发（BiologicalInspiration）”式的基于中枢模式发生器的主动式膝上假肢仿生控制的构想。本文主要研究内容如下：1、了解人体下肢的运动规律以及步态的相关知识，并且通过检测人体下肢髋关节和膝关节的运动轨迹更深入的了解人体下肢运动的周期性、节律性、多样性和差异性等特征。2、分析人体的节律运动控制机理，提出基于中枢模式发生器的步态控制方法。利用改进的Hopf

2、振荡器对膝关节进行CPG建模，离线学习5种路况下正常速度行走的膝关节角度轨迹。为了能够再现膝关节角度，构造重构方程，根据离线学习到的3组参数值重构5种路况下膝关节行走时的角度轨迹，方便在线控制。3、运用Matlab进行仿真，结果表明使用CPG得到的膝关节角度轨迹与人体关节角度的变化趋势相同，并且可以实现根据路况、速度实时调节，实现了运动的多样性和步态的转换。4、搭建了双下肢假肢实验平台，使用Labview在双下肢控制平台上对仿真结果进行验证。实验结果验证了使用CPG控制步速切换以及各个路况下的行走是可行的。在很多情况下，假肢穿戴者

3、无法按照自己的感受调整下肢假肢使之发挥完全的功能，本文不仅能够实现截肢者自由调整步速，而且能够随着路况的改变而调节，满足日常生活的需要。关键字：主动式假肢CPGHopf振荡器重构方程Matlab仿真I万方数据主动式膝上假肢仿生控制方法及实验研究ABSTRACTWiththerapidadvancesinmedicaltechnology,amputeesdemandforcomfortofprosthesisisalsoincreasing.Atctiveprosthesiscanprovidepowerforamputees,e

4、speciallyontheupstairanduphillthatsaveenergyforamputees.Sothispaperpresentsabio-inspirationcontrolmethodthatbasedonCPGforactiveabove-kneeprosthetic.Themaincontentofthepapercouldbepresentedasfollows:1.Learnthemovementofthelowerlimbsandtheknowledgeofhumangait,andbydetec

5、tingtheangletrajectoriesofhumanhipandkneetodeeplyunderstandtheperiodicity,rhythm,varietyanddifferenceofgait.2.Analysisthecontrolmechanismofrhythmmovementofhumanbody,andproposegaitcontrolmethodbasedoncentralpatterngenerator.UsingtheimprovedhopfoscillatortomodelCPGofkne

6、ejoint,offlinelearningkneejointangletrajectoryof5terrainsatnormalwalkingspeed.Inordertoreproducekneeangle,wedefineremodelequation,whichbasedon3setofobtainedparametervaluesthatfromofflinelearningtoremodelkneeangletrajectoryat5terrains.Itisconvenientforonlinecontrol.3.M

7、atlabisusedtosimulation,andresultsshowthatthesametrendwithchangesinhumankneejointangletrajectories.Basedonterrainsandspeed,CPGcanachieveconversionanddiversityofgaitinrealtime.4.BuildaprostheticexperimentalplatformanduseLabVIEWtovalidatethesimulationresults.Theexperime

8、ntresultsvalidatedthatgaitspeedtransitionandwalkingof5terrainsbasedonCPGmethodarefeasible.Inmanycases,amputeescan'tadjustpro