基于雙出桿結(jié)構(gòu)的磁流變阻尼器的磁流變假肢膝關(guān)節(jié)及其構(gòu)成的磁流變下肢假肢的控制方法.pdf

1、下肢假肢不僅能夠恢復(fù)下肢截肢患者受損的行動(dòng)能力，而且能夠一定程度地恢復(fù)下肢截肢患者的儀態(tài)，是下肢截肢患者的重要輔助工具。假肢膝關(guān)節(jié)是下肢假肢的關(guān)鍵部件，可以模擬健康人膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)。在下肢假肢采用的假肢膝關(guān)節(jié)中，磁流變假肢膝關(guān)節(jié)（MRPK）利用磁流變液的可控可逆的屈服應(yīng)力，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)下肢假肢運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的控制，具有能耗低和反應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，受到越來越多學(xué)者與機(jī)構(gòu)的關(guān)注。盡管MRPK的研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但依然存在明顯問題：MRPK多采用流動(dòng)模式

2、的磁流變阻尼器，其不可控阻尼力較大；MRPK的控制方法沒有考慮磁流變阻尼器的遲滯效應(yīng)對(duì)下肢假肢運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的影響；MRPK的運(yùn)動(dòng)控制主要采用軌跡跟蹤控制方法控制膝關(guān)節(jié)擺動(dòng)角度，使MRPK的膝關(guān)節(jié)擺動(dòng)角度跟隨固定的參考角度曲線。這種方式無法在線調(diào)整參考角度曲線，對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)能力不強(qiáng)，限制了MRPK的進(jìn)一步實(shí)用化。本文結(jié)合雙連桿機(jī)構(gòu)和雙出桿結(jié)構(gòu)的磁流變阻尼器，提出并開發(fā)了一種基于雙出桿結(jié)構(gòu)的磁流變阻尼器的單軸MRPK?；陂_發(fā)的MRPK實(shí)現(xiàn)

3、了磁流變下肢假肢（MRLLP），并建立了MRLLP的動(dòng)力學(xué)模型和聯(lián)合仿真模型。利用建立的MRLLP的聯(lián)合仿真模型分析了磁流變阻尼器的遲滯效應(yīng)對(duì) MRLLP的小腿擺動(dòng)角度的影響。在此基礎(chǔ)上，為了抑制磁流變阻尼器的遲滯特性對(duì)下肢假肢運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的影響，基于滑?？刂品椒ㄌ岢霾?shí)現(xiàn)了一種MRPK的軌跡跟蹤控制方法。基于不變集理論，提出了一種具有非對(duì)稱時(shí)間比例的Cardioid振蕩器，并基于 Cardioid振蕩器建立了人體下肢運(yùn)動(dòng)的中樞模式發(fā)生器（

4、CPG）模型，用于模擬人體行走時(shí)下肢的擺動(dòng)。采用基于Cardioid振蕩器的CPG（COCPG）模型，實(shí)現(xiàn)了MRPK的基于COCPG模型的模型參考控制方法。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴提出并開發(fā)了一種基于雙出桿結(jié)構(gòu)的磁流變阻尼器的單軸MRPK。采用提出的 MRPK，開發(fā)了一種MRLLP，包括 MRPK原型樣機(jī)、小腿假肢部件、假腳部件和角度傳感器。在此基礎(chǔ)上，建立了MRLLP的動(dòng)力學(xué)模型，并在剛體動(dòng)力學(xué)仿真軟件 ADAMS中建立了

5、MRLLP的虛擬樣機(jī)。利用建立的虛擬樣機(jī)仿真分析了MRLLP水平行走時(shí)磁流變阻尼器的期望阻尼力，并實(shí)驗(yàn)測(cè)試了開發(fā)的磁流變阻尼器的阻尼力。⑵提出了抑制集成的磁流變阻尼器的遲滯效應(yīng)的 MRLLP的滑模跟蹤控制（SMTC）方法。在ADAMS和Simulink中建立了下肢假肢的聯(lián)合仿真模型，并利用聯(lián)合仿真模型仿真分析了磁流變阻尼器的遲滯效應(yīng)對(duì)MRLLP的小腿擺動(dòng)角度的影響。在此基礎(chǔ)上，利用滑?？刂品椒▽?duì)未知干擾的魯棒性，提出 MRLLP的 SM

6、TC方法抑制磁流變阻尼器的遲滯效應(yīng)對(duì) MRLLP的小腿擺動(dòng)角度的影響。采用聯(lián)合仿真模型分析了SMTC方法對(duì)遲滯效應(yīng)的抑制效果和對(duì)隨機(jī)干擾的魯棒性。⑶提出并實(shí)現(xiàn)了一種模擬具有非對(duì)稱時(shí)間比例的振蕩過程的Cardioid振蕩器，以及模擬人體下肢運(yùn)動(dòng)的基于Cardioid振蕩器的CPG（COCPG）模型。通過數(shù)值仿真討論了Cardioid振蕩器的非對(duì)稱性、收斂性、抗干擾性和相位鎖定特性，并討論分析了COCPG模型輸出的頻率、振幅和偏移量。為了驗(yàn)

7、證COCPG模型的準(zhǔn)確性，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比COCPG模型的輸出軌跡與實(shí)測(cè)的人體下肢運(yùn)動(dòng)軌跡。⑷提出了一種使MRLLP更自然地模擬健康人行走時(shí)小腿擺動(dòng)姿態(tài)和提高M(jìn)RLLP對(duì)環(huán)境干擾的適應(yīng)性的基于COCPG模型的模型參考控制（COCPGMRC）方法。在此基礎(chǔ)上，利用聯(lián)合仿真模型分析COCPGMRC方法對(duì)MRLLP的小腿擺動(dòng)的控制效果，以及COCPGMRC方法對(duì)干擾的抑制能力。⑸基于實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)建立了 MRLLP系統(tǒng)的快速控制原型系統(tǒng)，并建立了基