智能下假肢結(jié)構(gòu)設(shè)計仿真及控制系統(tǒng)研究.pdf

1、由于交通事故造、自然災(zāi)害、疾病或者戰(zhàn)亂都會增加殘疾人的數(shù)量，假肢的需求也大大增加，尤其是智能假肢，國內(nèi)存在技術(shù)相對落后、價格高昂的現(xiàn)象，針對此問題本文以運(yùn)動的協(xié)調(diào)性、步態(tài)美觀以及對環(huán)境的適應(yīng)性為目的，設(shè)計出了基于膝踝一體化、多動力驅(qū)動的下假肢結(jié)構(gòu)，并通過理論運(yùn)算、靜力學(xué)仿真以及運(yùn)動學(xué)仿真驗證其性能。主要研究內(nèi)容如下:
　　通過研究人體膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)四桿結(jié)構(gòu)最適合膝關(guān)節(jié)運(yùn)動功能的實現(xiàn)。對四桿機(jī)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后四桿結(jié)構(gòu)的運(yùn)動瞬

2、心和真實人體膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動瞬心極為相符，踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動以純轉(zhuǎn)軸來實現(xiàn)。智能假肢膝關(guān)節(jié)、踩關(guān)節(jié)都采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動、磁流阻尼輔助的驅(qū)動形式。磁流阻尼作為假肢運(yùn)動的主要減震和儲能器，既能起到輔助假肢運(yùn)動的作用，還可以增加假肢運(yùn)動的協(xié)調(diào)性減少運(yùn)動僵硬現(xiàn)象。
　　對智能假肢的頂板進(jìn)行靜力學(xué)分析得到應(yīng)力和總變形云圖，并根據(jù)分析結(jié)果對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。基于應(yīng)力疲勞的理論，對智能假肢的底架進(jìn)行疲勞分析得到疲勞壽命曲線，并進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。分析人體下假肢運(yùn)動

3、步態(tài)分析，得到平地行走、上臺階時各時相運(yùn)動特征。基于膝踝一體化理論，建立下假肢結(jié)構(gòu)模型，利用幾何學(xué)原理進(jìn)行分析，以便得到下假肢各關(guān)節(jié)之間的運(yùn)動模型。
　　通過對有限狀態(tài)機(jī)控制方法進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)非常適合智能假肢的控制，與膝踝一體化控制結(jié)合得到良好的控制性能?；谟邢逘顟B(tài)機(jī)和一體化理論，建立智能假肢控制模型。應(yīng)用UG的運(yùn)動學(xué)仿真功能對智能假肢進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析，得到模擬人體步態(tài)的運(yùn)動動畫。將動畫模擬的人體步態(tài)與真實人體運(yùn)動相比較，可判斷三

4、維模型及控制數(shù)據(jù)的合理程度，并得到各關(guān)節(jié)的角速度位移曲線圖和阻尼長度變化曲線圖。
　　建立物理樣機(jī)并搭建實驗平臺，對控制函數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化;根據(jù)人體不同步態(tài)進(jìn)行調(diào)整控制數(shù)據(jù)，驗證該智能膝踝一體化下假肢對不同步態(tài)下的性能。在實驗中測量各關(guān)節(jié)阻尼長度變化曲線等重要數(shù)據(jù)，對假肢結(jié)構(gòu)設(shè)計以及基于UG的運(yùn)動學(xué)仿真模型的合理性進(jìn)行驗證。
　　本文完成了智能下假肢的整體設(shè)計與優(yōu)化仿真，為智能下假肢的膝踝一體化、智能化研究與開發(fā)提供理論參考，