主动式踝关节假肢控制系统设计及控制方法研究

摘要

智能假肢是机器人学和生物医学工程学领域中的一个热点课题，智能下肢假肢是补偿下肢截肢者运动能力的最佳设备，目前市场上的大多数的智能假肢只侧重于膝关节运动能力的补偿，对踝关节运动特性的研究少之又少。传统的踝关节假肢不能提供动力，只能被动地协助膝关节的活动，实现基本的代步功能，传统踝关节假肢存在易损坏、穿戴者体感不佳等问题。除此之外，传统踝关节假肢还不能很好地跟随健肢，摆动姿态不够自然，观赏性欠佳。本课题致力于研究主动式踝关节智能假肢的控制方法及控制系统，主要工作如下：
　　第一，利用VICON MX三维运动采集系统进行了人体步态实验，主要分析平地行走中踝关节的角度、地面反作用力周期性变化规律，为主动式踝关节假肢的分段线性化和有限状态机的控制方法提供了数据支撑以及理论基础。
　　第二，重点分析踝关节的角度曲线和扭矩曲线的特征，并总结其对应规律。建立分层的控制方法。上层控制方法用最小二乘法把踝关节角度曲线分段线性化成不同的事件，同时获得控制指标，用有限状态机的控制方法对这些事件进行划分并建立每个事件的执行函数，把传感器采集信息作为触发事件。底层控制方法是实现具体的执行函数。用PID控制直流电机，并依据踝关节角度偏差、偏差变化率来制定模糊控制规律表对PID的三个参数进行微调和修订，加入踝关节角度信号作为系统的负反馈，增加系统的稳定性。最后通过实验验证了分层控制方法在主动式踝关节假肢上应用的可行性。
　　第三，设计了以TMS320F2812为核心的主动踝关节智能假肢控制器。控制器硬件电路主要包括电源模块、复位模块、传感器模块、串口通讯模块和直流电机驱动模块等部分，此外进行了详细的软件设计，实现有限状态机和模糊PID的控制策略，总体上，控制器运行稳定，控制精度高，响应速度快，基本能够实现主动踝关节假肢的控制要求。
　　最后，对课题研究做了简要总结，并分析了设计过程中出现的问题的原因，简述了创新点，给出了主动式踝关节智能假肢今后的研究方向。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外发展现状

1.3 本文主要研究内容

第二章 人体下肢踝关节信息采集与参数分析

2.1 步态划分

2.2 下肢常见运动研究

2.3 人体步态实验

2.4 人体步态实验参数分析

2.5 本章小结

第三章 主动式踝关节假肢控制方法

3.1 主动式踝关节假肢核心执行单元传递函数

3.2 踝关节角度曲线的处理及可行性研究

3.3 主动式踝关节控制系统的分层控制方法

3.4 控制系统分层控制方法的实验验证

3.5 本章小结

第四章 主动式踝关节控制系统的硬件设计

4.1 TMS320F2812简介

4.2 电源模块的设计与分析

4.3 复位模块的设计与分析

4.4 传感器模块的设计与分析

4.5 串口通讯模块的设计与分析

4.6 直流电机驱动模块的设计与分析

4.7 本章小节

第五章 主动式踝关节控制系统的软件设计和调试

5.1控制系统软件设计

5.2控制系统的调试和实验分析

5.3 本章小结

第六章 结论

6.1 论文完成的主要工作

6.2 论文创新点

6.3 工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间所取得的相关科研成果