假腿膝关节阻尼缸的精确控制与运动模拟测试研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 1.27MB 53 页 15积分

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摘要

下肢假肢的研制对促进残疾人医疗福利事业的发展具有重要意义。高档下肢

假肢中的智能假腿是当前国内外研究的主要方向。

对假肢的摆动速度进行智能控制是智能假腿的技术关键之一，而智能假腿摆

速控制的关键部件是膝关节阻尼缸，假腿步速控制是通过调节膝关节阻尼气缸中

的气体流量阀门来控制假腿膝关节的屈曲和伸展阻尼而实现的。本文在设计一种

新型的假腿结构的基础上，设计了一种小脑模型 CMAC (CMAC-Cerebellar Model

Articulation Controller)与PID 复合的并行控制器对步进电机驱动的针阀进行控制。

通过对实际控制用的步进电机的仿真，表明这种控制器在假腿摆动速度调节时，

可以使步进电机驱动针阀进行实时、快速地精确定位。此外，本文还设计了基于

气压缸阻尼器的假腿摆动模拟测试装置，以对假腿气压阻尼缸的运动性能进行测

试。通过 DSP 控制器 TMS320LF2407A 对步进电机带动的气压阻尼器针阀进行控

制，并对 DSP 控制步进电机系统的硬件和软件进行了设计。测试时调节针阀的不

同位移，从而产生所需的测量样本，测试结果表明所设计的气压阻尼缸满足对假

腿速度控制的设计要求。本文还应用 CMAC 辨识算法对假腿气压缸摆动测速装置

得到的实验结果进行了系统辨识。

关键词：假腿气压阻尼缸 CMAC

ABSTRACT

The research of lower limb prosthesis is of great importance for the development

to welfare cause of the disabled. The intelligent leg of high-quality lower limb

prosthesis is one of the major research direction home and abroad.

The control of swing speed of the prosthetic leg is one of the key technologies for

intelligent prosthetic leg, and the damping cylinder is the key component to the control

of prosthetic leg swing speed . The control of swing speed is achieved by adjusting

phneumatic valve to control the damping torque of prosthesis leg knee in flexion and

extension. In this paper, a new type of prosthetic leg is designed, and the swing speed of

damper digital needle valve control is researched,CMAC(CMAC-Cerebellar Model

Articulation Controller) and CMAC/PID compound parallel controller is designed to

control the needle valve drived by stepper motor. The simulation to the control of

stepper motor shows that the controller can be adjusted when a prosthetic leg swings,

the needle valve drived by stepper motor can be located real-timely, accurately. In

addition, the pneumatic damping cylinder based on the prosthesis leg swing simulation

test device was designed,the dynamic performance to the pneumatic damping cylinder

of a prosthesis leg is tested.TMS320LF2407A controller controls the pneumatic

damping cylinder needle valve moved by stepper motor, the hardware and software of

the DSP system controling stepper motor is designed. Adjusting needle valve position

differently can produce the necessary samples of measurement,the test result shows that

the damping of the pneumatic cylinder meet the requirement of the speed control to a

prosthesis leg. In this paper, it also applies CMAC identification algorithm to the result

analysis of the device testing prosthetic leg pneumatic damping cylinder.

Key Word：Prosthetic leg, Pneumatic damping cylinder, CMAC

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ......................................................... 1

§1.1 研究背景 ................................................... 1

§1.2 研究内容 ................................................... 3

§1.3 课题的意义与创新点 ......................................... 4

第二章小脑模型神经网络 .............................................. 6

§2.1 神经网络概述 ............................................... 6

§2.2 人工神经元模型 ............................................. 6

§2.3 小脑模型神经网络 ........................................... 7

§2.4 本章小结 ................................................... 8

第三章智能假腿膝关节的设计 ......................................... 9

§3.1 引言 ....................................................... 9

§3.2 智能假腿的工作原理 ......................................... 9

§3.3 智能假腿膝关节的总体设计 .................................. 10

§3.4 膝关节阻尼缸的设计 ........................................ 12

§3.5 本章小结 .................................................. 13

第四章膝关节阻尼缸针阀的 CMAC 精确控制 .............................. 14

§4.1 PID 控制器原理 ............................................ 14

§4.2 阻尼缸针阀精确控制的 CMAC/PID 并行控制器设计 ............... 15

§4.3 CMAC/PID 并行控制仿真 ..................................... 17

§4.4 本章小结 .................................................. 19

第五章膝关节气压阻尼缸动力学模拟测试装置设计 ....................... 20

§5.1 气压控制膝关节的特点 ...................................... 20

§5.2 膝关节气压阻尼缸模拟测试装置硬件设计 ...................... 21

§5.2.1 膝关节气压阻尼缸传动装置总体设计 .................... 21

§5.2.2 单片机步速测量设计 .................................. 23

§5.2.3 DSP 控制电路设计 .................................... 25

§5.3 膝关节气压阻尼缸模拟测试装置软件设计 ...................... 31

§5.3.1 单片机步速测量软件设计 .............................. 31

§5.3.2 DSP 控制软件设计 .................................... 33

§5.4 本章小结 .................................................. 37

第六章膝关节气压阻尼缸动力学测试实验及其 CMAC 系统辨识 .............. 38

§6.1 系统辨识原理 .............................................. 38

§6.2 基于 CMAC 的膝关节气压阻尼缸动力学模拟测试及系统辨识 ....... 40

§6.3 本章小结 .................................................. 44

第七章全文总结 ..................................................... 45

参考文献 ............................................................ 47

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 50

致谢 .............................................................. 51

第一章绪论

§1.1 研究背景

关于假肢的研究，在国内外已经有长达几百年的悠久历史。但由于社会发展

水平的限制，假肢技术在上个世纪才得到了真正快速的发展。

一、国外假肢发展状况

从20 世纪 50 年代开始，下肢假肢技术开始向现代假肢技术过渡。

在20 世纪 60 年代，以德国奥托博克公司为代表，推出了具有革命性变革的

组件式下肢假肢，从而揭开了假肢技术的新篇章，并开始在世界各地推广。

在20 世纪 70 年代，各工业发达国家都相继推出了各自的组件式假肢，主要

完成了向组件化假肢产品的过渡。在不断改进假肢机械结构的同时，还把电子、

气动、液压等技术引入到了假肢领域，在组件式假肢基础上实现了对支撑期和摆

动期的较复杂控制，但这一时期假肢的材料仍然以合金钢和铝合金为主[1]。

进入 20 世纪 80 年代，人们开始把大量的新技术和新材料引入假肢领域,实现

了假肢的钛合金化、碳纤维化和计算机智能化控制。在这个时期，德国奥托博克

公司推出了钛合金化的组件式下肢假肢,英国布莱奇福德公司和我国台湾德林公司

推出了全碳纤维复合材料的组件式下肢假肢，日本的中川等人发明了基于微处理

器的气动式摆动控制膝关节，美国人发明了西亚图脚、福来克斯脚等储能脚等假

肢产品。

进入 20 世纪 90 年代后，下肢假肢技术更加完善，各种产品更加丰富。假肢

研究者开始针对肢残者的不同的身体特征来对假肢进行分类。一些新产品和新技

术如钛合金、碳纤维假肢、储能假脚、气压、液压等都更为完善和普及，并且还

出现了一些新产品，例如新一代多连杆膝关节等新技术。90 年代的假肢具有更精

密、更舒适和更符合个人要求的特性。

传统假腿膝关节采用带可承重自锁或锁定器膝关节等。其阻尼采用摩擦、液

或气压缸的阻尼力不能随着人腿步态变化而变化[3]。中川昭夫首先提出了基于微机

控制的气压式摆动控制膝关节，这种膝关节可以通过微机控制电机调节气压缸内

的针阀开度来控制气压缸阻尼力，装有这种膝关节的假腿叫做智能假腿 IP。英国

Blatchford 制造出了世界上第一个智能假腿 IP[4]。智能假腿 IP 在美国、英国等发达

国家研究得较好。智能假腿的发展可以划分为四个阶段[5]。第一阶段为静态存储，

手动调节阶段。第二阶段为静态存储，自动调节阶段。第三阶段为动态调整、实

时调节阶段。第四阶段则主要以研究具有真实仿生特性、感知功能和步态识别、

假腿膝关节阻尼缸的精确控制与运动模拟测试研究

智能控制算法、仿生膝关节机构和利用人体生物信号的假腿为智能假腿的主要特

征。

二、国内假肢技术现状

建国 50 年来，特别是改革开放以来，我国假肢行业取得了可喜的成果，体现

了假肢行业科学技术的进步，同时也显示了我国假肢产品的质量进一步提高。但

与国外相比还有一些差距。我国各地的假肢厂主要是以装配为主, 真正生产假肢

的厂家很少。如北京假肢研究所现在可以生产钛合金、四杆机构的假肢产品，山

东、哈尔滨等地生产的假肢,还是传统的机械式, 材料仍以合金钢为主。碳素纤维

材料、汽动、液动、智能控制的产品还没有见到生产。目前国内假肢生产技术仅

相当于 20 世纪 60～80 年代的国际水平, 主要以机械控制为主，材料大多数采用

合金钢，只有少量假肢是以钛合金为材料的。

总之，从以上的论述中可知，假肢技术经历了由低级、简单向高级、复杂发

展的历程，这个进程大约可以用 20 年一个阶段进行划分。如上世纪 40～50 年代

为传统假肢的时代，60～70 年代为推广普及组件化假肢的时代，80 年代至今为大

范围推广假肢新材料和计算机控制方法的时代。

三、问题的提出

由于战争、疾病、工伤、交通事故及意外伤害已将许许多多下肢截肢者带给

了社会。尤其近年来，随着工业、交通事业的迅速发展，这一数字正以惊人的速

度增加。一项调查显示仅美国每年就有大约 11 万人失去下肢[1]。在 2006 年第二次

全国残疾人抽样调查数据显示我国目前肢体残疾者高达 2412 万人[2]。本文设计了

一种基于微机控制的气压智能假腿膝关节，并对这种新型的气压智能假腿膝关节

的总体设计方案和结构进行了论述。

假肢膝关节的阻尼缸控制问题实际上是针阀的精确定位控制问题。由于需要

确定参考零位及解决步进电机控制“丢步”的问题，需要对步进电机进行精确地

位置控制，从而驱动针阀达到预定开度，通过改变阀门开度可以调节假腿膝关节

弯曲和伸展的阻尼，从而达到调节膝关节弯曲和伸展的目的，最终使得假腿的摆

动速度与正常人腿的速度一致。本文提出了基于 CMAC 和PID 并行控制算法控制

阻尼缸针阀步进电机的控制模式，并讨论了该算法的基本构成原理与学习规则。

这种 CMAC 和PID 并行控制器具有实时性好，抗干扰等特性，特别适合通过精确

控制膝关节阻尼实现假腿步速控制的目的。

本文设计的膝关节阻尼缸动力学模拟测试装置。这种模拟测试装置可以模拟

残疾人的残肢带动膝关节的运动，可以在实验室对膝关节的动力学特性进行模拟

测试，节省了残疾人穿戴该膝关节进行测试的过程，从而缩短了假肢膝关节的开

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摘要：

摘要下肢假肢的研制对促进残疾人医疗福利事业的发展具有重要意义。高档下肢假肢中的智能假腿是当前国内外研究的主要方向。对假肢的摆动速度进行智能控制是智能假腿的技术关键之一，而智能假腿摆速控制的关键部件是膝关节阻尼缸，假腿步速控制是通过调节膝关节阻尼气缸中的气体流量阀门来控制假腿膝关节的屈曲和伸展阻尼而实现的。本文在设计一种新型的假腿结构的基础上，设计了一种小脑模型CMAC(CMAC-CerebellarModelArticulationController)与PID复合的并行控制器对步进电机驱动的针阀进行控制。通过对实际控制用的步进电机的仿真，表明这种控制器在假腿摆动速度调节时，可以使步进电机驱动...

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