一種智能仿生人工腿的設(shè)計(jì)及性能仿真研究.pdf

1、智能仿生人工腿將智能控制理論、微電子技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造技術(shù)以及生物醫(yī)學(xué)工程等融合在一起，是機(jī)器人學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域一個(gè)備受關(guān)注的研究課題。而采用虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行人工腿的性能仿真和設(shè)計(jì)優(yōu)化研究，則是智能仿生人工腿研究的重要發(fā)展方向。 以前所開展的智能人工腿相關(guān)研究存在以下三方面不足：第一，沒(méi)有建立完整的人工腿流體控制裝置模型，只能通過(guò)長(zhǎng)期的臨床試驗(yàn)來(lái)確定人工腿步行速度與電機(jī)控制之間的關(guān)系；第二，世界上現(xiàn)有的人工腿虛擬樣機(jī)模型過(guò)

2、于簡(jiǎn)單，性能仿真評(píng)估結(jié)果的可信度較低；第三，目前還無(wú)人做過(guò)智能仿生人工腿的性能仿真研究。 針對(duì)以上不足，我們提出了一種全新的智能仿生人工腿性能仿真體系，并將其用于我們研制的國(guó)內(nèi)首臺(tái)智能仿生人工腿CIP-I Leg的性能仿真和參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)中。本文首先對(duì)國(guó)內(nèi)外智能人工腿的總體研究狀況及基本理論作了一些介紹，在此基礎(chǔ)上，對(duì)CIP-I Leg的重要組成部分及步速調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。CIP-I Leg是一款氣壓控制單軸膝關(guān)節(jié)型智能仿生

3、人工腿，靠安放在其內(nèi)部的一新型二級(jí)伸縮氣缸的伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)自由擺動(dòng)。氣缸尾部的電機(jī)可以控制氣缸內(nèi)一個(gè)針閥的開度，通過(guò)改變針閥開度可以調(diào)節(jié)膝關(guān)節(jié)彎曲和伸展的阻尼，從而達(dá)到改變CIP-I Leg擺動(dòng)速度的目的。依照新的設(shè)計(jì)仿真體系，本文利用流體力學(xué)基本原理建立了氣缸的氣體動(dòng)力學(xué)模型，并將該模型與擺動(dòng)相期間人體下肢的數(shù)學(xué)模型聯(lián)立起來(lái)，推導(dǎo)出了針閥開度與氣壓阻尼力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)在MATALB環(huán)境下建立的交互式仿真平臺(tái)，可以判斷該氣缸能為人工腿

4、擺動(dòng)相的精確控制提供合適的動(dòng)力。在虛擬樣機(jī)的性能仿真部分，本文把在SolidWorks中完成的CIP-ILeg和人體下肢殘肢的三維模型導(dǎo)入到ADAMS中，并添加相關(guān)約束以建立完整的樣機(jī)模型。最終，在0.75m／s步行速度下對(duì)CIP-I Leg的樣機(jī)模型進(jìn)行了參數(shù)化仿真分析。 參照現(xiàn)有的人工腿性能評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果表明CIP-I Leg在擺動(dòng)相期間具有良好的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能，而且該虛擬樣機(jī)模型能實(shí)現(xiàn)CIP-I Leg的性能仿真評(píng)估。