智能下假肢結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(huì)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(guó)內(nèi)存在技術(shù)相對(duì)落后、價(jià)格高昂的現(xiàn)象，針對(duì)此問(wèn)題本文以運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性、步態(tài)美觀以及對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性為目的，設(shè)計(jì)出了基于膝踝一體化、多動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的下假肢結(jié)構(gòu)，并通過(guò)理論運(yùn)算、靜力學(xué)仿真以及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真驗(yàn)證其性能。主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　通過(guò)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(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)。對(duì)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(dòng)瞬

2、心和真實(shí)人體膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)瞬心極為相符，踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)以純轉(zhuǎn)軸來(lái)實(shí)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(dòng)、磁流阻尼輔助的驅(qū)動(dòng)形式。磁流阻尼作為假肢運(yùn)動(dòng)的主要減震和儲(chǔ)能器，既能起到輔助假肢運(yùn)動(dòng)的作用，還可以增加假肢運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性減少運(yùn)動(dòng)僵硬現(xiàn)象。
　　對(duì)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(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化?；趹?yīng)力疲勞的理論，對(duì)智能假肢的底架進(jìn)行疲勞分析得到疲勞壽命曲線(xiàn)，并進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。分析人體下假肢運(yùn)動(dòng)

3、步態(tài)分析，得到平地行走、上臺(tái)階時(shí)各時(shí)相運(yùn)動(dòng)特征?；谙ヵ滓惑w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(dòng)模型。
　　通過(guò)對(duì)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。基于有限狀態(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(dòng)學(xué)仿真功能對(duì)智能假肢進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得到模擬人體步態(tài)的運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫(huà)。將動(dòng)畫(huà)模擬的人體步態(tài)與真實(shí)人體運(yùn)動(dòng)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(xiàn)圖和阻尼長(zhǎng)度變化曲線(xiàn)圖。
　　建立物理樣機(jī)并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)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(yàn)證該智能膝踝一體化下假肢對(duì)不同步態(tài)下的性能。在實(shí)驗(yàn)中測(cè)量各關(guān)節(jié)阻尼長(zhǎng)度變化曲線(xiàn)等重要數(shù)據(jù)，對(duì)假肢結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及基于UG的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型的合理性進(jìn)行驗(yàn)證。
　　本文完成了智能下假肢的整體設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)提供理論參考，