基于磁流變效應(yīng)的四連桿假肢膝關(guān)節(jié)及其構(gòu)成的下肢假肢的研究.pdf

1、下肢假肢是恢復(fù)膝上截肢者肢體功能和外觀的主要工具，是膝上截肢者返回社會(huì)生活的重要輔助裝置。假肢膝關(guān)節(jié)作為下肢假肢最重要的組成部分，不但需要滿足基本的行走功能需求，而且更需要模擬健康人的自然擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)與穿戴者剩余肢體的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)。目前相對(duì)于采用氣壓式和液壓式阻尼器的智能假肢膝關(guān)節(jié)，基于磁流變效應(yīng)的假肢膝關(guān)節(jié)具有響應(yīng)快、阻尼連續(xù)可控、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，已成為智能假肢膝關(guān)節(jié)研究的熱點(diǎn)方向之一。然而，已有的基于磁流變效應(yīng)的假肢膝關(guān)節(jié)通常是將商業(yè)化的磁

2、流變阻尼器直接安裝在假肢膝關(guān)節(jié)上面，導(dǎo)致磁流變阻尼器不但占用空間較大，而且在行走過程中作相對(duì)于小腿假肢部件的來回?cái)[動(dòng)，從而對(duì)假肢膝關(guān)節(jié)的步態(tài)質(zhì)量產(chǎn)生一定程度的影響。因此，研究磁流變阻尼器在假肢膝關(guān)節(jié)上的集成原理與方法以及相應(yīng)的控制方法具有重要的學(xué)術(shù)意義及實(shí)用價(jià)值。
　　為了解決上述問題，本文通過將四連桿機(jī)構(gòu)的上、下連桿分別與磁流變阻尼器的活塞桿和外缸體一體化提出并實(shí)現(xiàn)了一種新型的基于磁流變效應(yīng)的四連桿假肢膝關(guān)節(jié)（Magnetorh

3、eological effect based four-bar linkage prosthetic knee,MRFLPK）的原理與結(jié)構(gòu)，并開發(fā)了原型樣機(jī)。采用開發(fā)的MRFLPK的原型樣機(jī)開發(fā)了基于磁流變效應(yīng)的下肢假肢（MR lower limb prosthesis,MRLLP）。在此基礎(chǔ)上，仿真分析了MRLLP行走過程中MRFLPK的磁流變阻尼器所需要的阻尼力，研究了實(shí)現(xiàn)MRFLPK的小腿擺動(dòng)控制的原理和方法。建立了MRLLP的快

4、速控制原型系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)MRFLPK進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試和分析。
　　本文的主要研究工作和創(chuàng)新點(diǎn)可以歸納為以下六個(gè)方面：
　　1.為了充分利用四連桿機(jī)構(gòu)準(zhǔn)確模擬人體膝關(guān)節(jié)瞬心曲線的特點(diǎn)和磁流變阻尼器可控阻尼的特點(diǎn)，通過將四連桿機(jī)構(gòu)的上、下連桿分別與磁流變阻尼器的活塞桿和外缸體一體化提出并實(shí)現(xiàn)了一種MRFLPK的原理與結(jié)構(gòu)，其中，磁流變阻尼器的外缸體上端直接集成在四連桿機(jī)構(gòu)的下連桿下部，磁流變阻尼器的活塞桿通過擺

5、動(dòng)連桿與四連桿機(jī)構(gòu)的上連桿連接。集成的磁流變阻尼器采用雙出桿結(jié)構(gòu)型式?；诖?，設(shè)計(jì)和開發(fā)了MRFLPK的原型樣機(jī)。采用提出并實(shí)現(xiàn)的MRFLPK，開發(fā)了一種MRLLP，包括開發(fā)的MRFLPK的原型樣機(jī)、小腿假肢部件、腳假肢部件和角度傳感器。
　　2.建立了MRFLPK及其構(gòu)成的MRLLP的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型。根據(jù)建立的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，仿真分析了MRLLP行走過程中MRFLPK的磁流變阻尼器所需要的阻尼力。通過剛體動(dòng)力學(xué)仿真軟件A

6、DAMS，對(duì)MRLLP的3D機(jī)械幾何模型行走過程中MRFLPK的磁流變阻尼器所需要的阻尼力進(jìn)行了仿真。通過3D仿真結(jié)果與動(dòng)力學(xué)模型仿真分析結(jié)果，分析了MRFLPK的磁流變阻尼器在行走時(shí)需要的期望阻尼力。
　　3.為了控制MRFLPK，采用基于運(yùn)動(dòng)參考曲線的MRFLPK軌跡跟蹤控制原理。其中，為了提供MRFLPK的運(yùn)動(dòng)參考曲線，提出了一種基于Rayleigh振蕩器的運(yùn)動(dòng)參考曲線生成器（Rayleigh oscillator base

7、d reference curve generator,RORCG）的原理。根據(jù)RORCG原理建立了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)RORCG的有效性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。并采用計(jì)算力矩加PD反饋控制算法用于軌跡跟蹤控制。
　　4.為了測(cè)試MRFLPK，建立了MRLLP的快速控制原型系統(tǒng)，包括MRLLP、控制系統(tǒng)、角度傳感器和可控電流源。實(shí)驗(yàn)時(shí)，控制系統(tǒng)由實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)（型號(hào)：dSPACE DS1103）建立。角度傳感器傳感MRFLPK的擺動(dòng)角度。實(shí)時(shí)仿真系

8、統(tǒng)控制可控電流源向磁流變阻尼器輸出控制電流，改變磁流變阻尼器的阻尼力從而實(shí)現(xiàn)MRFLPK的擺動(dòng)角度控制。
　　5.為了測(cè)試MRFLPK，開發(fā)了模擬人體下肢運(yùn)動(dòng)的大腿模擬器。在此基礎(chǔ)上，提出了一種用于模擬日常生活步態(tài)的受生物誘導(dǎo)的假肢膝關(guān)節(jié)實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)（Bio-inspired motion platform system for testing prosthetic knees,BIMPS）的原理，并開發(fā)了原型樣機(jī)。其中，BIMP

9、S采用生物誘導(dǎo)傳感器實(shí)時(shí)獲取測(cè)試者的大腿運(yùn)動(dòng)信息并作為運(yùn)動(dòng)參考信號(hào)實(shí)現(xiàn)大腿模擬器跟蹤測(cè)試者大腿運(yùn)動(dòng)的生物誘導(dǎo)控制。對(duì)大腿模擬器跟蹤理想的參考運(yùn)動(dòng)，以及大腿模擬器實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)試者大腿日常運(yùn)動(dòng)的能力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試和分析。
　　6.基于建立的MRLLP快速控制原型系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，從三個(gè)方面測(cè)試和分析了MRFLPK的擺動(dòng)角度。測(cè)試了MRFLPK在不同恒定電流控制下的擺動(dòng)角度；基于大腿模擬器，測(cè)試了MRFLPK在計(jì)算力矩加PD反饋控制算法