基于复合摆线的下肢假肢步态规划及运动仿真

摘 要 针对现有假肢产品步态质量不佳的问题,结合四连杆机构和磁流变阻尼器设计了一种磁流变阻尼下肢假肢。基于复合摆线理论对下肢假肢进行了步态规划,并对所得轨迹曲线进行了优化。通过对轨迹曲线的逆运动学求解,得到了下肢假肢的膝关节和髋关节曲线。为验证关节曲线和下肢假肢结构设计的合理性,采用SolidWorks Motion对下肢假肢进行了运动仿真吧,并且利用关节电机进行轨迹跟随实验。结果表明,在关节曲线的驱动下,下肢假肢能够实现连续稳定的行走,具有良好的步态特性。     

基于无模型动态矩阵的下肢假肢运动控制方法

在准确预识别平地行走,上、下楼梯三类运动模式的基础上,提出了根据各路况的运动特点制定对应假肢膝关节运动控制策略的方法.突出三类路况运动特点的同时,解决了由于建模困难无法得到膝关节运动方程的问题,另外采用无模型动态矩阵对假肢膝关节的运动轨迹追踪控制.该方法利用紧格式线性化方法简化了人体运动时髋、膝关节角度变化的复杂关系.实验结果表明运动控制策略模仿实际运动轨迹的方法是有效的,使假肢能够自然地跟随健肢的运动变化,充分利用了被控系统输入、输出数据的内部信息,且运动控制方法具有较好的跟踪效果,确保了下肢假肢运动的控制精度.     

多杆机构瞬停节分析及应用

为推导多杆机构的瞬停节传递特性 ,利用瞬停节的概念分析了 4杆机构和 6杆机构的自锁性能。根据 6杆机构存在多个瞬停节的现象 ,定义了瞬停节传递的概念 ,并证明了多杆机构瞬停节传递现象发生在新增杆组与组成瞬停节构件相连接的时候。因此利用瞬停节的传递可以进行具有稳定自锁功能的多杆机构设计 ;结合假肢的具体要求 ,还可以设计出具有可靠自锁功能的 6连杆假肢膝关节     

膝上假肢稳定性与运动学功能的评价

对多轴膝关节进行了分析，提出了承重稳定裕度角、全伸展位绝对瞬心距和相对瞬心距的概念，用于评价下肢假肢的稳定性和相对稳定性。通过对膝关节稳定协调区的讨论，说明了相对稳定性的概念和应用。多轴膝上假肢在摆动相能使小腿有更大的升高量，从而减小了脚在摆动相触地的可能性而具有特殊的优点。通过对这一性能的定量分析，提出了踝关节在摆动相的升高量作为评价这一性能的指标，进一步阐述膝关节功能的评估问题。该文提出的评价方法对膝上假肢设计及装配均有重要意义。     

可控阻力矩的膝关节曲面设计

本文阐述了滚转杆式人造假肢膝关节的工作原理,对弹簧压缩量、阻力矩和曲面之间的关系进行了实验和分析,提出了合理的阻力矩变化曲线。本文着重论述按给定阻力矩变化曲线设计曲面的作图法和解析法,推导出全部有关计算公式,并讨论了曲面设计的限制条件。最后还介绍了一种经过改进的膝关节曲面。     

双下肢控制平台的设计与研究

为了测试假肢的性能,本文设计了下肢运动平台,平台的主要构成部分是四个直流电机,4个伺服驱动器,一个控制板卡和一台电脑.根据仿生学将他们连接起来,并以固高控制卡为控制核心,以髋关节和膝关节的角度信号作为下肢平台的运动控制信号,在VC环境下编程控制电机,通过四轴同步刷新的方法控制平台运动,使平台在运动过程中比之前更加协调.     

踝关节假肢的机械结构设计

踝关节假肢的研究是当今假肢研究领域的关健技术之一。本文从生物力学、解剖学和生理学角度出发,分析了踝关节在行走过程中的步态运动规律、受力特点和生理功能。此外,基于仿生学原理,设计了踝关节假肢的机械结构,完成了假肢产品开发和生产的前期工作。     

SDC六连杆假肢膝关节机构的优化研究

本文提出了改进UCBL(University of California Berkeley,Biome-chanics Labretory)KD型膝关节机构的方案,并论证了提高动态稳定性的措施,在此基础上提出的主要目标函数是摆动相位所需髋关节力矩值以及站立相位与摆动相位髋关节力矩的差值为最小。从而兼顾了步行中两相位的稳定性。本文有助于在设计阶段正确估价假肢装置的性能。     

提高不完全齿轮机构运动性能的又一途径

本文提出以不完全齿轮与凸轮组合设计的方法,改善不完全齿轮间歇机构的运动和动力特性,以满足中、高速分度运动的需要。     

基于相关性分析的下肢假肢步行模式预识别方法

为了减小假肢执行器延迟以及判断程序延迟对动力型假肢协调控制带来的影响,采用步行模式预识别的方法,提前控制动力型下肢假肢的运动,以达到最佳的协调控制效果.利用假肢接受腔装配的陀螺仪传感器、加速度传感器以及安装在假肢足底的压力传感器来进行数据采集,通过分析传感器采集数据与模版数据之间的相关性信息来实现步行模式的预识别.实验结果表明利用分析多传感器数据的相关性预识别步行模式的方法是有效的,可使假肢及时调节、及时动作,增强了假肢的智能性,该技术对智能假肢的发展具有重要的实用价值.     

主被动踝关节假肢力/位混合控制研究

为了满足小腿截肢患者的运动需求,根据踝关节在人体步态周期中的生物力学特性,结合已有的研究基础和实验条件,研制了第一代主被动混合驱动的踝关节假肢样机。通过对样机仿生运动的分析和运动模型的建立,提出了一种基于有限状态机的力/位混合伺服控制系统,采用PID和模糊PID两种控制算法对假肢运动进行Matlab仿真和角度控制实验。实验结果表明,该假肢样机可以得到类似人体运动的踝关节角度-力矩曲线,并且模糊PID算法控制输出的曲线更加符合人体特性,从而验证了样机设计的合理性和控制方案的可行性,为进一步实现样机的应用提供了依据。     

六杆机构在假肢膝关节设计中的应用

验证了六杆机构的瞬心线与股骨髁不同的弯曲半径圆心线轨迹相似,阐述了机械六杆机构膝关节在正常运动中的步态分析,为研制新型膝关节提供了一定的理论设计基础.     

混合动力七杆机构的最优设计

从运动学角度研究混合动力七杆机构的设计准则与设计方法．首先,将变输入机构的理念加以扩展,提出了混合动力机器输入运动函数的设计准则;然后,以控制并改善输出运动特性为设计目标,以输入运动的限制为设计约束,基于最优控制理论建立了混合动力七杆机构输入运动函数的优化模型,转化成一个两点边值问题,应用梯度法进行求解;最后,给出了设计算例演示所提设计方法的程序,并验证其可行性．结果表明,基于最优控制理论的最优设计方法适合处理非线性优化问题,能够有效地平衡输入运动约束与输出运动要求之间的矛盾．     

拟人全臂假手逆向建模及运动模拟

应用三维造型软件CATIA对人体手臂点云进行逆向造型,满足了上假肢外观美容的要求。同时对建立的拟人全臂假手进行运动分析及运动控制算法研究,在CATIA/DMU Kinematics模块下进行运动模拟,为上假肢的运动方案和运动轨迹设计奠定基础。     

具有可调整杆的混合动力机构设计

基于可调整机构的概念,提出一种改善混合动力机器综合性能的设计方法.将混合动力机构的一个杆设计为杆长在一定范围内可变的可调整杆,通过对可调整杆的杆长和控制电机的运动函数的综合优化,使系统在较小的控制电机扭矩需求下获得最佳的输出特性.提出具有可调整杆的混合动力机构的设计流程,并以一种混合动力七杆机构为例,对其设计步骤进行了说明.运用AD-AMS动力学仿真软件进行了实例验证,结果表明该法在不同工况下的有效性.     

八杆机构联轴器的工作原理及设计

本文对八杆机构联轴器进行了结构、运动和动力分析,并简要说明其设计要点。     

并联式混合动力客车2参数换挡规律的分析与设计

根据双轴并联式混合动力客车的结构形式以及所运行的中国典型城市工况,选用并联电辅助控制策略.基于该控制策略,以并联式混合电动客车的工作模式和油门开度作为2参数设计变量,提出了一种分段交叉式的换挡规律设计方法,即在不同的工作模式和油门开度下,选择合适的换挡规律的交叉式设计方法.利用AVL Cruise仿真软件建立了整车模型,与Matlab联合仿真,设计了并联电助力式控制策略及换挡规律,并对该双轴并联式混合动力客车的动力性、经济性进行了仿真分析.结果表明:该换挡规律与最佳经济性换挡规律相比在加速性能方面提高了6.3%,与最佳动力性换挡规律相比经济性有了很大改善;能够在保证整车动力性的同时兼顾经济性,是一种更加合理的整车换挡规律.     

手指运动姿态检测及假肢手指动作实时控制

设计了一种通过实时检测手指关节弯曲角度控制假肢手指动作的实验系统.系统主要由手指运动姿态实时检测、关节角度分析、控制与驱动电路、欠驱动机电假肢手4部分组成,假肢手包含拇指、食指、中指3个独立动作的手指;利用加速度传感器ADXL330实时检测手指运动姿态信息,由DSPTMS320F2812微处理器实时检测手指关节运动的瞬时角度变化并进行PWM脉冲编码,控制步进电机运动以驱动假肢手指关节转动.并分别对加速度传感器检测手指运动和假肢手指动作实时控制进行了实验测试;实验结果表明,系统采用的加速度传感器ADXL330能实时检测手指运动姿态,利用手指关节角度信息能有效驱动假肢手指屈伸,并通过三指配合完成抓握动作.     

人体下肢假肢发展概况

介绍了人体下肢假肢技术的发展历史、研究现状、应用情况及未来的发展状况，着重阐述了现代假肢技术的构成及假肢膝关节的控制技术。     

非徑向槽轉位机構的运动精度问題

(一) 我们曾讨论了非径向槽转位机构的几何关系,运动和动力计算问题,在本文内想讨论一下这种机构的误差问题——由机构元件的尺寸误差引起的运动误差问题。在某些情况下,机构的允许运动误差已经规定,需进而确定机构各元件的尺寸误差,以供设计和制定元件技术规范的参考。机构运动误差的研究对精密机械具有十分重要的意义。在研究转位机构的运动学时,曾假定机构各元件的几何尺寸是绝对准确的,并且绝