基于双出杆结构的磁流变阻尼器的磁流变假肢膝关节及其构成的磁流变下肢假肢的控制方法

摘要

下肢假肢不仅能够恢复下肢截肢患者受损的行动能力，而且能够一定程度地恢复下肢截肢患者的仪态，是下肢截肢患者的重要辅助工具。假肢膝关节是下肢假肢的关键部件，可以模拟健康人膝关节的转动。在下肢假肢采用的假肢膝关节中，磁流变假肢膝关节（MRPK）利用磁流变液的可控可逆的屈服应力，可以实现对下肢假肢运动姿态的控制，具有能耗低和反应快等优点，受到越来越多学者与机构的关注。尽管MRPK的研究取得了长足的进步，但依然存在明显问题：MRPK多采用流动模式的磁流变阻尼器，其不可控阻尼力较大；MRPK的控制方法没有考虑磁流变阻尼器的迟滞效应对下肢假肢运动姿态的影响；MRPK的运动控制主要采用轨迹跟踪控制方法控制膝关节摆动角度，使MRPK的膝关节摆动角度跟随固定的参考角度曲线。这种方式无法在线调整参考角度曲线，对环境变化的适应能力不强，限制了MRPK的进一步实用化。本文结合双连杆机构和双出杆结构的磁流变阻尼器，提出并开发了一种基于双出杆结构的磁流变阻尼器的单轴MRPK。基于开发的MRPK实现了磁流变下肢假肢（MRLLP），并建立了MRLLP的动力学模型和联合仿真模型。利用建立的MRLLP的联合仿真模型分析了磁流变阻尼器的迟滞效应对 MRLLP的小腿摆动角度的影响。在此基础上，为了抑制磁流变阻尼器的迟滞特性对下肢假肢运动姿态的影响，基于滑模控制方法提出并实现了一种MRPK的轨迹跟踪控制方法。基于不变集理论，提出了一种具有非对称时间比例的Cardioid振荡器，并基于 Cardioid振荡器建立了人体下肢运动的中枢模式发生器（CPG）模型，用于模拟人体行走时下肢的摆动。采用基于Cardioid振荡器的CPG（COCPG）模型，实现了MRPK的基于COCPG模型的模型参考控制方法。
　　本研究主要内容包括：⑴提出并开发了一种基于双出杆结构的磁流变阻尼器的单轴MRPK。采用提出的 MRPK，开发了一种MRLLP，包括 MRPK原型样机、小腿假肢部件、假脚部件和角度传感器。在此基础上，建立了MRLLP的动力学模型，并在刚体动力学仿真软件 ADAMS中建立了 MRLLP的虚拟样机。利用建立的虚拟样机仿真分析了MRLLP水平行走时磁流变阻尼器的期望阻尼力，并实验测试了开发的磁流变阻尼器的阻尼力。⑵提出了抑制集成的磁流变阻尼器的迟滞效应的 MRLLP的滑模跟踪控制（SMTC）方法。在ADAMS和Simulink中建立了下肢假肢的联合仿真模型，并利用联合仿真模型仿真分析了磁流变阻尼器的迟滞效应对MRLLP的小腿摆动角度的影响。在此基础上，利用滑模控制方法对未知干扰的鲁棒性，提出 MRLLP的 SMTC方法抑制磁流变阻尼器的迟滞效应对 MRLLP的小腿摆动角度的影响。采用联合仿真模型分析了SMTC方法对迟滞效应的抑制效果和对随机干扰的鲁棒性。⑶提出并实现了一种模拟具有非对称时间比例的振荡过程的Cardioid振荡器，以及模拟人体下肢运动的基于Cardioid振荡器的CPG（COCPG）模型。通过数值仿真讨论了Cardioid振荡器的非对称性、收敛性、抗干扰性和相位锁定特性，并讨论分析了COCPG模型输出的频率、振幅和偏移量。为了验证COCPG模型的准确性，通过实验对比COCPG模型的输出轨迹与实测的人体下肢运动轨迹。⑷提出了一种使MRLLP更自然地模拟健康人行走时小腿摆动姿态和提高MRLLP对环境干扰的适应性的基于COCPG模型的模型参考控制（COCPGMRC）方法。在此基础上，利用联合仿真模型分析COCPGMRC方法对MRLLP的小腿摆动的控制效果，以及COCPGMRC方法对干扰的抑制能力。⑸基于实时仿真系统建立了 MRLLP系统的快速控制原型系统，并建立了基于大腿仿真器的膝上假肢测试系统（LSTSLLP）和穿戴行走测试系统。采用建立的LSTSLLP和穿戴行走测试系统，测试分析了SMTC和COCPGMRC方法对MRLLP的小腿摆动的控制效果，并对比了CT+PD和开/关控制方法对MRLLP的小腿摆动的控制效果。

目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2 假肢膝关节

1.3 基于磁流变效应的假肢膝关节

1.4 下肢假肢的运动控制

1.5 下肢假肢的CPG控制方法

1.6 研究目的与研究内容

1.7 本文的结构框架

1.8 本章小结

2 MRPK及其构成的下肢假肢的原理与模型

2.1 引言

2.2 MRPK及其构成的下肢假肢

2.3 MRLLP的动力学模型

2.4 本章小结

3 MRLLP的基于滑模控制的轨迹跟踪控制方法

3.1 引言

3.2 磁流变阻尼器的迟滞特性对MRLLP的小腿摆动角度的影响

3.3 SMTC方法的原理及鲁棒性分析

3.4 仿真与分析

3.5 本章小结

4 MRLLP的基于CPG模型的模型参考控制方法

4.1 引言

4.2具有非对称时间比例的Cardioid振荡器

4.3人体下肢的基于Cardioid振荡器的CPG模型

4.4基于COCPG模型的模型参考控制方法

4.5 Cardioid振荡器及COCPG模型特性分析和实验测试

4.6 COCPGMRC方法的仿真与分析

4.7 本章小结

5 MRLLP的快速控制原型系统及实验测试

5.1 引言

5.2 MRLLP的快速控制原型系统

5.3 实验装置

5.4 基于LSTSLLP的MRLLP的控制实验测试

5.5 MRLLP的穿戴行走测试

5.6 本章小结

6 全文总结与展望

6.1 本文主要研究工作

6.2 本文主要贡献与创新点

6.3 后续研究工作与展望

致谢

参考文献

附录

A. 缩写符号列表

B. 作者在攻读博士学位期间发表的论文

C. 作者在攻读博士学位期间获得授权的发明专利

D. 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目

E. 作者在攻读博士学位期间其他相关工作

F. 作者联系方式