下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人步態(tài)規(guī)劃及運動學(xué)仿真

《下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人步態(tài)規(guī)劃及運動學(xué)仿真》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人步態(tài)規(guī)劃及運動學(xué)仿真（9頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、Vol.30 No.2 Feb. 2009 第30卷第2期 2009年2月 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報 Journal of Harbin Engineering University 下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人步態(tài)規(guī)劃及運動學(xué)仿真 張立勛，張曉超 (哈爾淇工程大學(xué)機電工41學(xué)旎.黑龍江F 播 鼻：為満足神經(jīng)受損患者步行康復(fù)訓(xùn)練需嬰?設(shè)計了一種具有四自由及 了步 態(tài)機構(gòu)正逆運動學(xué)解析模型；為使機器人能模擬不同步態(tài)為患者提供多種i &長. 步態(tài)周期及步態(tài)時村為參數(shù)的可河步態(tài)規(guī)劃方法?通過基于MatlabXSimulin 真分 析?驗證了運動學(xué)模型的正縮性以及步態(tài)規(guī)劃的可行性?說明該四

2、自由度步 步態(tài) 和腳踝運動姿態(tài)?滿足患者步態(tài)訓(xùn)練需要?仿真結(jié)果還可用于步態(tài)機構(gòu)的多珈幾Q譏八"，C2X八譏IXHH存祝林究提 供必要數(shù)據(jù)和研究基礎(chǔ). 關(guān)fit詞:康復(fù)機器人;步態(tài)規(guī)劃;機構(gòu)模型;運動于仿其 中圖分類號:TP24文獻標(biāo)識碼:A文章編號：IOO6-7O34(2OO9)O2-OI87X)5 Gait planning and kinematic simulation for a lower limb gait rehabilitation robot ZHANG Li-xun, ZHANG Xiao-chao (College rf Mechanical and Elec

3、trical Engineering, Harbin Engineering University■ Harbin 150001 .China) Abstract：To satisfy training demands for walking patients with impaired cranial nerves. a lower limb gait rehabilita? tion robot with a 4-lX)F gait mechanism was designed and its kinematics was deduced based on the closed-loop

4、 vector method? Furthermore, by analyzing the characteristics of natural human gait, a gait planning method was proposed to generate various gaits for the robot that satisfy the requirements of trainings using adjustable parameters such as gait stridet gait cyclef and the ratio of the support period

5、 or swaying period to the gait cycle. Finally, using a simulation environment in Matlab\Simulink \SiMMechanics 9 correction of kinematics was demonstrated, validating the proposed gait planning method? The simulation results can also be used for optimizing design of the mechanical parameters while s

6、upplying necessary data and building a theoretical foundation for subsequent research on the whole control system involving robot and patient? Keywords: rehabilitative robot；gait planning；mechanics model；kinematics simulation Vol.30 No.2 Feb. 2009 下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人是一種通過對患者下肢進 行運動訓(xùn)練，促使病人恢復(fù)正常行走功能的的自動 化醫(yī)

7、療設(shè)備，適用于下肢偏癱、腿外傷、脊柱外傷等 腿部運動功能障礙患者?一般由步態(tài)控制機構(gòu)，重心 調(diào)整機構(gòu)和重力平術(shù)機構(gòu)組成?各個機構(gòu)協(xié)調(diào)運動， 模擬人的行走狀態(tài)，其中?步態(tài)機構(gòu)帶動患者腳部運 動,實現(xiàn)步行時腳部的運動特征，包括腳的運動軌 跡，腳的姿卷等，從而避免了過去患者在電動踏步機 收穆日期：2008-044. 基金項目：國家0然科學(xué)堆金資助項目(60575053)；高等學(xué)校博士學(xué) 科點女項科研圧金資助頂R (20060217024). 作者簡介:張立動(W62-),男.鞍授.博士生并師.E-mail jrfumgliiun @ hrimj. edu. cr? 上訓(xùn)練時，必須由護理人員協(xié)助患

8、者的腿步或腳步 運動;在減輕護理人員的勞動強度的同時，可提高患 者訓(xùn)練的連續(xù)性,持續(xù)性和科學(xué)性⑴.徳國自由大 學(xué)研制的名為MGT型康夏機器人模型，其步態(tài)機構(gòu) 采用的是一種兩自由度収曲柄搖桿機構(gòu)3】；瑞士 蘇黎世聯(lián)邦丄業(yè)大學(xué)研制的L0K0MAT的康復(fù)機器 人模型采用一種主動式步態(tài)矯正裝( driven gait orthosis, DCO)帶動患者的腿步在踏步機上訓(xùn)練⑷； 徳國FRANHOFER INSTTHJT IPK研究所提出采用 繩掘系統(tǒng)來實現(xiàn)步態(tài)運動⑸.MGT機構(gòu)設(shè)計十分簡 單,但是由于腳踏板的位姿是由一個自由度確定的， 足部的位姿協(xié)調(diào)與正常步態(tài)有一定差距,Lokomat ?188

9、? 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報 第刃卷 是比較成熟的步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機器人，驅(qū)動雙側(cè)鶴膝 關(guān)節(jié)4個自由度，實現(xiàn)輔助人在跑步機步態(tài)訓(xùn)練.這 些方案的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單?易于控制,但是由于基于 各種人體易化模型，機器人自由度少,步態(tài)訓(xùn)練時, 患者的一些重要關(guān)節(jié)運動得不到訓(xùn)練或者糾正.該 文以12自由度人體模型為研究對象，由運動學(xué)分析 可知當(dāng)上體(假設(shè)骨盆軀于為一體)位姿和雙足位 姿確定?即可確定雙鵝的運動,即確定龍膝録關(guān)節(jié)的 運動?因此文中下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人采用四自由度 雙足步態(tài)機器人和六自由度骨盆機器人兩部分構(gòu) 成?其中雙足步態(tài)機器人系統(tǒng)用于帶動患者雙腳實 現(xiàn)往復(fù)步態(tài)運動訓(xùn)練過程中腳部的運動，包括類橢 圓

10、軌跡步態(tài)運動和腳的姿態(tài)運動. 1四自由度往復(fù)步態(tài)機構(gòu) 步態(tài)機構(gòu)采用雙側(cè)各單獨驅(qū)動.并通過規(guī)劃步 態(tài)位姿實現(xiàn)步速、步態(tài)時相可調(diào)的雙側(cè)協(xié)調(diào)步態(tài). 四白rti度步態(tài)機構(gòu)原理見圖1,單側(cè)2自由度. 該機構(gòu)可分為2部分:步態(tài)機構(gòu)和腳姿態(tài)機構(gòu).步態(tài) 機構(gòu)由曲柄1,連桿2,滾輪8,地面支撐7構(gòu)成?相當(dāng) 于曲柄滑塊機構(gòu);曲柄轉(zhuǎn)動一周，與連桿2餃接的腳 踏板6的回轉(zhuǎn)中心相應(yīng)走過一個類橢圓軌跡?適當(dāng) 地選擇機構(gòu)參數(shù)?可實現(xiàn)模擬往復(fù)行走運動軌跡;通 過規(guī)劃兩側(cè)主動曲柄運動，實現(xiàn)兩側(cè)腳踏板的協(xié)調(diào) 運動?姿態(tài)機構(gòu)由絲杠5,螺母4,連桿3,腳踏板6組 成，連桿間較鏈連接?絲杠往復(fù)運動,可實現(xiàn)腳踏板 相對水平方向的擺

11、動，用于模擬步行過程中腳的姿 態(tài)?協(xié)調(diào)絲杠與曲柄的運動關(guān)系?可模擬和調(diào)節(jié)人在 步態(tài)周期中腳的位置和姿態(tài)間的動態(tài)關(guān)系. I-曲柄，2-連桿，3-連桿，4■螺母， 5 ■絲杠，6-腳踏板.7?支揮.8 -滾輪 圖I步態(tài)機器人機構(gòu)廉理圖 Fig. I Sketch of the 4-DOF gait mechanics 2 機構(gòu)運動學(xué)模型 基于閉壞矢量法分別建立步態(tài)機構(gòu)和姿態(tài)機構(gòu) 的運動學(xué)方程. 2. 1 正運動學(xué)模型 并亠S S Xn ★ *厶“出AA Ilf 卡系設(shè) 置、閉環(huán)矢 lol為參考 仝標(biāo)系 列寫閉環(huán)矢量方程: + 尺2 = R). 十 R*2 = Rq

12、 9 + R& * R? = /?g + 將此矢疑分解到力和y坐標(biāo)軸上，得到 /|CO8 九 + Z2cos % =皿 /|Sin 0[L + /2sin 竝=h. Acos 血 + 1坪氐=p— （]） /iin $iL + Z3sin 俎=p^9 /5CO8 0$l + /6cos 0iL + Z7cos 0n = - /8, l$sin 05L + l6sin 弧 + /^in 0v = - 式中:%（i = 1,2,-J）為矢戢R,的矢量角，當(dāng) iW4時如定義為從力軸指向該矢量;當(dāng)i >4時幽 定義為從衍軸指向該矢竝?規(guī)定逆時針方向為正, 且-7TW血W7T? 另外由

13、圖中可知阪=飯■于，且根據(jù)步行時腳 與地面夾角的實際情況?限定-ir/2 < e1L < M2?代 入并解上方程組(1),得 P述=Oil + h J】 ?［（h-來in 血）/口丁, PyL = ）//2sin 血=耐彳士判， 兔=arcsin［*（絡(luò) *厶 g "：）］? 第2期 張立勛?等:下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人步玄規(guī)劃及運動學(xué)仿真 ? 189 ? 2 第2期 張立勛?等:下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人步玄規(guī)劃及運動學(xué)仿真 ? 190 ? 式中： &2=2?7(C+A),虬=4A(C+ZJ). 則 % = azin(口嚴(yán)卜 arcsin[ (A:u + l4 Jk

14、、、- &『)/嘉〕? (3) 式(2).(3)為左側(cè)步態(tài)機構(gòu)位置正解.同理可得右 側(cè)步態(tài)和姿態(tài)機構(gòu)垃籃止解為 3下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人步態(tài)規(guī)劃方法 為實現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練,需要對該四自由度步態(tài)機器 人進行步態(tài)規(guī)劃?使其能模擬不同步長步速情況下 人的步態(tài)運動，以滿足步行康復(fù)訓(xùn)練需要?機器人模 (4) P 吠=Acos 擬的是往“ 似⑹，一個 成,左右腳 其中J為上 上半部分電 的運動?雙 峙征類 拿期組 所示. 時圓的 支悴腳 時刻1 T時刻2時間段?整個步態(tài)處于單支捋期■右腳支 a ?(h - /.sin。［八 如=arcsinj——；——)+ 掠，左腳經(jīng)歷整個擺動過

15、程?進入時刻2-時刻3時 間段■左腳也進入支撐，步態(tài)進入雙支撐期?至?xí)r刻 arc8in[(&w + Z4 y/kiK - k}K)/k2]. 式中:町=/.( +C -4 -4 +◎加皿“；+2)? 將式(1)中第1、2行兩邊對時間求導(dǎo)數(shù)，解方 程，并寫成矩陣形式，冇 /jcos 0)tec 02l 3時,右腳腳跟已充分抬起■腳尖欲離地;進入時刻3 -時刻4時間段■步態(tài)再次進入單支撐期■只不過換 作右腳擺動，左腳支撐?至4點，右腳腳跟開始看地, 步態(tài)再次進入雙支撐期?直至進入1’時刻?左腳腳 跟充分抬起?腳尖欲離地，開始進入下一個步態(tài)周 ?(5) ?2 —/|Sin 9xl

16、4- Z,cos $xtan 02L- 將式(1)中第3、4行兩邊對時間求導(dǎo),并將式(5)代 入,得左側(cè)步態(tài)機構(gòu)的速度方程正解： rPw l _ . r/./j/^cos 0,/tan 俎-A$in IpJ " (h ■ W)cg % J 同理，右側(cè)步態(tài)機構(gòu)速度方程正解： Ml^/ljCOA 仇占n 樂-A$in 0叫 (h?從3心皿樂 I 期?圖3中左右腳的姿態(tài)箭頭，起點表示腳跟?終點 表示腳尖?根據(jù)對人在跑步機腳的姿態(tài)的檢測數(shù)據(jù), 在一個步態(tài)周期中,協(xié)調(diào)規(guī)律如下：整個支撐期，由 支撐腳腳跟著地?放平?至腳跟抬起?腳尖欲離地轉(zhuǎn) 后變?yōu)閿[動腳■擺動腳由腳尖向下至放平到向上■腳

17、? (6) 跟欲著地乘新變?yōu)橹纹?且最大正傾角發(fā)生在腳 跟接觸地面?欲進入支撐時刻,最大負傾角發(fā)生在腳 尖欲離地進入擺動期時刻，腳的姿態(tài)與步態(tài)相位近 似呈余弦關(guān)系. 左腳姿金 2. 2 逆運動學(xué)模型 由式(2).(4)可得步態(tài)機構(gòu)速度逆解 片腳茯 雙商左腳支捋Tint i-S i^v C r, C ~ /j/j/ZjCos 0“」an Su - ZjSin Gu * Par (8) 0 壬 . 山-/j/j/^cos dl/?tan 孫 - /|Sin 趴； 根據(jù)式(3)、(4)可解得姿態(tài)機構(gòu)的逆解為 卩“ =- 2/sZ4cos 61l + 2/a

18、J4din ^7t, 1/鉞=Z/g/^cos 2^g^4 ? 式中:M十 如=紜■ arcsin(上%), 0llt - 0 fn - arcsin(匕人嚴(yán) 歸). 右腳支掙収支冷右御/ 雙支冷 右腳步玄. I I I I 周期I 2 3 4 r 右腳姿態(tài)一* i(r) (9) 圖3往復(fù)步態(tài)時空特性 Fig. 3 The schematic diagram of gait cycle 由于步態(tài)軌跡已由機構(gòu)尺寸確定，考慮左右對 稱且左右腳的運動只差180。相位，故只需規(guī)劃一側(cè) 腳的水平速度和姿態(tài)即可.人體運動速度往往具冇

19、 2 ? 191 ? 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報 第30住 U V.X 鐘形曲線的特點，對往復(fù)步態(tài)來說，無論在支撐期還 是擺動期都經(jīng)歷從零加速、減速至零的過程,在橢圓 軌跡端點處速度為零，即腳跟著地和腳尖抬起時水 平速度為零，另外為保證無沖擊步態(tài),此刻加速度也 應(yīng)為零?故而一個步態(tài)周期中腳的水平速度可按照 加減速段用正弦西數(shù)模擬，以左腳為例，擺動期如式 (】0),支撐期如式(11). Pm(S,")= y[

20、 1 + 8n( y-ir - yj] (0 W f < “， 人(

21、步態(tài)周期獲得. 根據(jù)機構(gòu)原理，曲柄轉(zhuǎn)過一周，則完成一個步態(tài) 周期,因此曲柄的轉(zhuǎn)角可以用來表示步態(tài)的相位?根 據(jù)腳的姿態(tài)與步態(tài)相位間的近似余弦關(guān)系為 擺動腳最大負傾角;8如?為支撐腳鼓大正傾角，則在 一個步態(tài)周期中?腳的姿態(tài)可規(guī)劃為 如= A * Bancos (12) 式中：* =(仇z +血“)々” =(0如?0“ )/2. 改變式(10)411)和(12)中的 S、",、Z、 仇?、&4*等參數(shù)可模擬具有不同運動特征的往復(fù)步 態(tài)運動?這里.設(shè)初始時刻(<=0),腳踏板的初始狀 態(tài)為左踏板位登位于1點，右踏板位于4點,踏板速 度為零?為使2個踏板進入?yún)f(xié)調(diào)狀態(tài)，先令左踏板不 動,右踏板由

22、初始位置運動時間至1點,然后啟 動左踏板，自此雙踏板進入?yún)f(xié)調(diào)運動狀態(tài). 按照正常人的步態(tài)時相待征，擺動期占猿個步態(tài) 周期的40%,支撐期占整個周期的60%,其中單個雙 支撐期為 10%，取 S =520 mm.T = 1 s.X, =0. 4Tj4 = 0.1 Tjj =0.16 832 =0.24 8,^ =? 30,&z =30, 則規(guī)劃的腳踏板水平速度姿態(tài)角如％如下 圖4、5示. 圖4腳踏板水平速度規(guī)劃曲線 Fig. 4 1})e horizontal velocity planning curves of lhe footplates 圖5腳踏板姿態(tài)規(guī)劃曲線 Fig

23、. 5 The pose planning curves of footplates 4下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人運動學(xué)分析 為驗i正運動學(xué)解析寞型的正確性以及步態(tài)規(guī)劃 的可行性，基于matlab/Simulink仿真環(huán)境及其下的 機構(gòu)仿真工具SimMechanicsl7J,對該四自由度雙足 步態(tài)機器進行了運動學(xué)仿真研究,仿真流程如圖6所 示?首先根據(jù)逆運動學(xué)公式?在simulink下建立逆運 動學(xué)模塊,將規(guī)劃好的末端雙足位姿轉(zhuǎn)化為曲柄絲杠 運動信號,然后輸入基于SiMechnics下建立的機構(gòu)正 運動學(xué)仿貞?模型，并根據(jù)正運動學(xué)方程?為模型初始 位姿賦值?仿真結(jié)果如圖7 ~ 11所示.其中圖

24、7 ~8為 逆運動學(xué)仿真輸岀的曲柄及絲杠運動信號.圖9-11 為從SimMechanics正運動學(xué)機構(gòu)模型傳感器取出的 腳踏板運動信號.將圖9與圖4,圖10與圖5比較，可 見由機構(gòu)模型輸出的結(jié)果與規(guī)劃一致,證明運動學(xué)模 型的正確性?圖11為往復(fù)步態(tài)橢圓軌跡. 值得指出的是該仿真模型還可方便地轉(zhuǎn)化為動 力學(xué)模型，用于控制器設(shè)計和動力學(xué)問題分析. 第2期 張立勣?等:下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人步態(tài)規(guī)劃及運動學(xué)仿真 ? 193 ? o-5 50 5 )0 5 0 $ vulul/v Fig. 11 ［取足幷姿規(guī)劃］ 逆運動模型 8 TSimMechanics 機材山運

25、動學(xué)根巾 （A/辦如）| ?跖） 圖6仿真流程圖 Fig. 6 Hie simulation flowchart % —% 圖7左右曲柄轉(zhuǎn)速曲線 4 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 //$ 圖8左右絲杠位移曲線 Fig. 8 The displacement curves of the screws ( 0^04""OdS0J 1 2 tls 圖9左右腳踏板水平速度仿真曲線 Fig. 9 horizontal velocity curves of footplates in simulation 圖10 &右躺踏板姿態(tài)仿貞曲線

26、 Fig. 10 The pose curves of the footplates in simulation  5結(jié)束 運動學(xué) 練機 器人四自由度步態(tài)機構(gòu)能勢買現(xiàn)具有不問特征的往 復(fù)步態(tài)運動?能根據(jù)訓(xùn)練要求提供可調(diào)步長?步態(tài)周 期?步態(tài)時相的訓(xùn)練步態(tài)?捷出的步態(tài)規(guī)劃方法避免 了基于測重數(shù)據(jù)確定機器人運動造成的步態(tài)單一, 不可調(diào)?適應(yīng)能力差等缺點?該方法對仿人機器人的 足部運動規(guī)劃亦有借鑒作用?仿真結(jié)果還可用于步 態(tài)機構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計?并為后續(xù)整個人機控制系 統(tǒng)研究提供必要數(shù)據(jù)和研究基礎(chǔ). 參考文獻： [1] 王燿兵?于林紅?王廣志?等?腦神經(jīng)康復(fù)機器人研究的 進展與的最〔J

27、)?中國廩復(fù)猴學(xué)雜^t2003J8(4)：230- 231. WANG Yaobing. JI Linhong. WANG Guangzhi, et al. Tl)e development and prospect of cranial nervwi rehabilitaion robot [ J ]. Chinese Journal of Rehabilitation Medicine, 20031 18(4)： 230-231 ? [2] FERRIS D Pt SAWICKI G St D0M1NC0 A R? Powered lower limb orthoses for gai

28、t rehabilitation[ J].Topics in Spinal Cord Injury Rchabilitaticn. 2005. 11(2)： 34-49. [3] HESSE S, UHLENBROCK D? A mechanized gait trainer for restoration of gait [ J }? Joumal of Rehabilitation Research and Development 2000, 37(6) ： 701-708? [4JCOIBMBO Gt JOERG Mt SCHREIER R.et al? Treadmill trai

29、ning of paraplegic patients using a robotic orthosis [ J ]? Journal of Rehabilitation Research and Development. 20001 37 (6)：693-700? [5 ] SURDILOVIC Dt ZHANG JIN YU t BERNHARDT R. String-man： Wire-rvbot technology for afc. flexible and humanfriendly gait rehabilitation [ C ]//Proceedings of the 2

30、007 IEEE lOlh International Conference on Rehabilitation Robotics? Noordwijk, Netherlands, 2007? [6]鄭秀環(huán).現(xiàn)代運動生物力學(xué)〔M]?北京：國防工業(yè)出版 社.2002:399-401. [7 ]黃永安?馬路，劉總救Mat4ib7.0/Simulink 6. 0建模仿真 開發(fā)與高級工程應(yīng)用[M] ?北京:清華大學(xué)出版社.2007： 262-280? 【責(zé)任編輯:鄭可為] 下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人步態(tài)規(guī)劃及運動學(xué)仿真 mHnsiB 1 1 1 WANFANGCATA

31、 作者： 作者單位： 刊名： 英文刊名： 年，卷（期）: 被引用次數(shù): 2009 30(2) 張立勛， 張曉超，ZHANG Li-xun, ZHANG Xiao-chao 哈爾濱工程天學(xué)機電工程學(xué)院黑龍江哈爾濱150001 ISTIC E1|PKU JOURNAL OF HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY 參考文獻（7條） 1. 王耀兵.季林紅.王廣志 腦神經(jīng)康復(fù)機器人研究的進展與前景［期刊論文］-中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志2003(04) 2. FERRIS D P SAWICKI G S DOMINGO A lowered lower limb

32、 orthoses for gait rehabilitation 2005(02) 3. HESSE SUHLENBROCKZDmechanized gait trainer for restoration of gait 2000(06) 4. COLOMBO GOERG MSCHREIER FTreadmill training of paraplegic patients using a robotic orthosis 2000(06) 5. SURDILOVIC DZHANG JINYUBERNHARDT Slring-man:Wire-robot technology f

33、or safe,flexible and humanfriendly gait rehabilitation 2007 6. 鄭秀瑗現(xiàn)代運動生物力學(xué)2002 7. 黃永安.馬路.劉慧敏Matlab7.0/Simulink 6.0建模仿真開發(fā)與高級工程應(yīng)用 2007 相似文獻（1條） 1.學(xué)位論文 叢德宏 智能假肢開發(fā)與關(guān)鍵技術(shù)研究 2006 目前，康復(fù)機器人已經(jīng)成為國際機器人領(lǐng)域的一個研究熱點。由于戰(zhàn)爭、疾病、工傷、交通事故及意外傷害等原因，致使數(shù)以百萬的人失去下肢 ，人們迫切希望通過假肢恢復(fù)截肢者的行走功能，因此在康復(fù)機器人的家族中，假肢技術(shù)的研究開展的最早，產(chǎn)品也發(fā)展的較為完善

34、。特別是 90年代發(fā)展起來的用微處理器控制的具有高性能的智能假肢，能根據(jù)外界條件的變化和工作要求，自動調(diào)整假肢系統(tǒng)的參數(shù)，使假腿能可靠的工作、運 動自如。 然而，目前所謂的“智能假肢"并非真正意義上的智能假肢，因為智能化不僅僅體現(xiàn)在智能化的控制方法上，更重要的是它對路況和假肢理想步態(tài) 的感知功能。因此，本文提出一種具有路況和步態(tài)感知功能的膝上智能假肢，并對這種智能假肢研發(fā)過程中的一些關(guān)鍵技術(shù)進行研究和開發(fā)。 在詳細論述智能假肢研究意義、內(nèi)容和方法的基礎(chǔ)上，本文首先給出了智能假肢實驗平臺的總體組成和仿生設(shè)計。通過對膝關(guān)節(jié)機構(gòu)參數(shù)的多變量 最優(yōu)化設(shè)計，保證由智能磁流變液阻尼器控制的四桿封閉鏈仿

35、生膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動中心及人工腿、智能假肢各關(guān)節(jié)中心點能跟蹤給定軌跡。 智能假肢的數(shù)學(xué)模型是步態(tài)規(guī)劃、控制系統(tǒng)設(shè)計、仿真分析的基礎(chǔ)和依據(jù)。針對智能假肢的特點，采用分割建模方法建立了智能假肢的運動學(xué)模型 。采用多體系統(tǒng)動力學(xué)建模方法建立了智能假肢在支撐相和擺動相時，帶約束和無約束的拉格朗日動力學(xué)模型。并從廣義變量、廣義力、約束之間的關(guān) 系，分析了動力學(xué)模型的求解方法。 智能假肢的智能化主要體現(xiàn)在感知功能。人體生物運動學(xué)研究表明，人腿在正常行走過程中步態(tài)穩(wěn)定于最自然、最節(jié)能的步態(tài)形式，當(dāng)行走步速改 變時，雖然步態(tài)曲線周期和幅值會改變，但形狀基本相似。基于這一特點，在步態(tài)檢測和步態(tài)分析的基礎(chǔ)上，建立了步

36、態(tài)數(shù)據(jù)庫并存儲于微處理器中。 通過編碼器、電位計、陀螺儀與壓力傳感器組成的感知系統(tǒng)對假肢的內(nèi)部狀態(tài)和路況、假肢的理想步態(tài)進行感知。將采集的信息經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后傳給微 處理器。微處理器采用離線規(guī)劃加在線調(diào)整的方法來進行步態(tài)規(guī)劃，并根據(jù)規(guī)劃好的步態(tài)控制智能假肢膝關(guān)節(jié)的運動。 鑒于智能假肢系統(tǒng)研制的復(fù)雜性，利Mo/E, ADAMSMATLAB Simuli建立聯(lián)合仿真平臺。俺ro/E中建立了異構(gòu)雙腿行走機器人的三維實體模型 。通過Mech/Pr接口將模型導(dǎo)入ADAMS形成虛擬樣機，并在ADA中建立虛擬環(huán)境。在虛擬環(huán)境中對智能假肢進行了運動學(xué)、動力學(xué)仿真。有力地保證 了機構(gòu)的合理性?？s短了機器人研發(fā)周期，并能在一定程度上減少研制的風(fēng)險。本文重點研究了智能假肢對路況、步態(tài)的感知以及假肢的步態(tài)規(guī)劃，為 智能假肢的研制打下良好基礎(chǔ)。 本文鏈接： 下載時間：201（年7月1日