發(fā)布時間：2020-05-30 16:17

【摘要】：隨著人類社會的飛速發(fā)展,日益增多的交通事故、單位工傷、人為和自然災(zāi)害、以及戰(zhàn)爭和疾病等,使許多正常人變?yōu)榱松眢w截肢的殘疾人。假肢膝關(guān)節(jié)作為康復(fù)輔助器具中最為重要的環(huán)節(jié),其可以使殘疾人從無法正�；顒踊謴�(fù)到自主行走,從而實現(xiàn)生理和心理的社會回歸。因此,其研究具有重要的理論意義和應(yīng)用價值,并具備較強(qiáng)的社會效益。針對當(dāng)前假肢膝關(guān)節(jié)在理論和實際應(yīng)用方面存在的仿生性不足、能耗高、驅(qū)動效果不佳等問題,本文基于齒輪-五桿機(jī)構(gòu)提出了一種新型假肢膝關(guān)節(jié),通過以提供最貼切人體膝關(guān)節(jié)瞬心線為優(yōu)化目標(biāo)的機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)優(yōu)化、基于關(guān)節(jié)行走隨動特性的非線性并聯(lián)與串聯(lián)彈性驅(qū)動設(shè)計優(yōu)化及性能分析,以及利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的假肢智能控制和實驗研究,實現(xiàn)了高仿生性、低能耗,驅(qū)動效果良好的假肢膝關(guān)節(jié)。論文具體研究工作如下:1)齒輪-五桿機(jī)構(gòu)假肢膝關(guān)節(jié)的建模和尺寸參數(shù)優(yōu)化。建立齒輪-五桿機(jī)構(gòu)假肢膝關(guān)節(jié)模型及其速度瞬心求解方法,采用遺傳算法對其進(jìn)行尺寸參數(shù)優(yōu)化,分析了其齒輪傳動比對假肢膝關(guān)節(jié)瞬心線的影響,并與常見四、六桿機(jī)構(gòu)假肢膝關(guān)節(jié)進(jìn)行了對比。研究結(jié)果表明:齒輪-五桿機(jī)構(gòu)假肢膝關(guān)節(jié)可用較小的尺寸結(jié)構(gòu)達(dá)到較高的仿生性能,并具有利用其齒輪傳動比微調(diào)瞬心線的功能,為假肢膝關(guān)節(jié)的小型化、輕型化和定制化奠定了理論基礎(chǔ)。2)齒輪-五桿機(jī)構(gòu)假肢膝關(guān)節(jié)的行走隨動特性研究。建立齒輪-五桿機(jī)構(gòu)假肢膝關(guān)節(jié)的行走隨動模型,結(jié)合采集的真實人體行走數(shù)據(jù),分析了其運動學(xué)特性與理論步態(tài)。在此基礎(chǔ)上,通過對其進(jìn)行站立相和擺動相的逆動力學(xué)建模及分析,揭示了齒輪-五桿機(jī)構(gòu)假肢膝關(guān)節(jié)的驅(qū)動特性。研究結(jié)果表明:齒輪-五桿機(jī)構(gòu)假肢膝關(guān)節(jié)的理論行走步態(tài)與預(yù)期步態(tài)較為吻合;其機(jī)構(gòu)內(nèi)存在驅(qū)動功率最小的最佳驅(qū)動位置。3)齒輪-五桿機(jī)構(gòu)假肢膝關(guān)節(jié)的非線性并聯(lián)彈性驅(qū)動研究。利用齒輪-五桿機(jī)構(gòu)兩點連線的非線性位置變換特性,建立了假肢膝關(guān)節(jié)的非線性并聯(lián)彈性驅(qū)動模型;采用考慮彈簧一般并聯(lián)情況下的機(jī)構(gòu)動力學(xué)建模及求解方法,并通過將不同受力和彈簧安裝工況歸一化的預(yù)處理,應(yīng)用改進(jìn)模擬遺傳退火算法以降低機(jī)構(gòu)驅(qū)動扭矩和功率為優(yōu)化目標(biāo)實現(xiàn)了其參數(shù)的最優(yōu)化。研究結(jié)果表明:利用最優(yōu)非線性并聯(lián)彈性驅(qū)動可大幅降低齒輪-五桿機(jī)構(gòu)假肢膝關(guān)節(jié)的驅(qū)動扭矩和驅(qū)動功率;與線性并聯(lián)彈性驅(qū)動相比,其具有驅(qū)動扭矩和驅(qū)動功率峰值顯著降低的優(yōu)勢。4)齒輪-五桿機(jī)構(gòu)假肢膝關(guān)節(jié)的非線性串聯(lián)彈性驅(qū)動研究�；谛滦汀半姍C(jī)-非線性傳動-彈簧”的非線性串聯(lián)彈性驅(qū)動原理,提出了一種基于共軛凸輪機(jī)構(gòu)的新型假肢膝關(guān)節(jié)非線性串聯(lián)彈性驅(qū)動器。以彈性驅(qū)動器電機(jī)的驅(qū)動功率、輸出扭矩波動和線性彈簧的剛度系數(shù)三者加權(quán)最小為優(yōu)化目標(biāo),以凸輪廓線和最小曲率半徑為懲罰約束,采用改進(jìn)模擬遺傳退火算法實現(xiàn)了共軛凸輪機(jī)構(gòu)的雙目標(biāo)帕累托最優(yōu)。研究結(jié)果表明:齒輪-五桿機(jī)構(gòu)假肢膝關(guān)節(jié)采用共軛凸輪串聯(lián)彈性驅(qū)動,具有機(jī)械誤差小、響應(yīng)速度快及控制簡單的優(yōu)點,并可實現(xiàn)相位分立式驅(qū)動和假肢膝關(guān)節(jié)驅(qū)動功率的進(jìn)一步降低。5)齒輪-五桿機(jī)構(gòu)假肢膝關(guān)節(jié)的智能控制及實驗研究。利用Arduino開發(fā)板、雙MPU-6050加速度傳感器和FSR壓力傳感器建立了其姿態(tài)采集與解算系統(tǒng),采用Maxon Epos 2控制器和Maxon RE40 DC電機(jī)實現(xiàn)了其電驅(qū)系統(tǒng),設(shè)計了齒輪-五桿機(jī)構(gòu)假肢膝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)并制作樣機(jī)和搭建其實驗平臺,通過結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的Labview并行主控程序完成了其智能控制。行走實驗結(jié)果表明:齒輪-五桿機(jī)構(gòu)假肢膝關(guān)節(jié)能夠較好地完成行走功能,其實際行走步態(tài)與預(yù)期步態(tài)較為接近。
【圖文】：

優(yōu)秀的假肢膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)可以有效改善其機(jī)械性能與仿生性能，從而為假肢步態(tài)多樣化和運動特性多模式化奠定基礎(chǔ)。其次，假肢膝關(guān)節(jié)需要主動動力和阻尼來實現(xiàn)患側(cè)步態(tài)的正�；�，選取合理的驅(qū)動技術(shù)一方面可以提升假肢膝關(guān)節(jié)的行走步態(tài)，另一方面也有利于實現(xiàn)假肢膝關(guān)節(jié)驅(qū)動特性的提升。此外，假肢膝關(guān)節(jié)的控制技術(shù)直接決定了其適應(yīng)性與實用性，尤其是在當(dāng)前假肢膝關(guān)節(jié)的智能化潮流下，提升假肢膝關(guān)節(jié)智能控制水平已經(jīng)是迫在眉睫的任務(wù)。因此，本文將從假肢膝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、驅(qū)動技術(shù)和控制理論三個角度出發(fā)，分析國內(nèi)外在這些方面的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展。1.2.1 國外近年在結(jié)構(gòu)設(shè)計、驅(qū)動技術(shù)和控制方法方面的研究現(xiàn)狀1 結(jié)構(gòu)設(shè)計研究現(xiàn)狀假肢膝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計是為保證其能夠為患者提供較優(yōu)的仿生性、動力學(xué)特性、運動穩(wěn)定性，并方便實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動控制。目前假肢膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)研究包括單軸和多軸兩種類型。（1）單軸假肢膝關(guān)節(jié)單軸假肢膝關(guān)節(jié)利用單個鉸鏈實現(xiàn)膝關(guān)節(jié)運動。由于單軸工作原理簡單，，因此其結(jié)構(gòu)研究主要集中在特殊功能的實現(xiàn)上，如站立相自鎖、冗余驅(qū)動和上/下樓梯等功能。

1 緒論究主要向特定運動功能、變桿長驅(qū)動和可彈性形變等方向發(fā)展。如圖 1 3a 所示，斯洛文尼亞 Ljubljana 大學(xué)的 Ivan Dem ar 等人提出了一種雪的四桿機(jī)構(gòu)假肢膝關(guān)節(jié)[14]。該四桿機(jī)構(gòu)假肢膝關(guān)節(jié)能夠在維持患者站立穩(wěn)保證患者的重心在半蹲狀態(tài)下維持在身體前方，以使患者完成諸如滑雪、滑動。目前該假肢膝關(guān)節(jié)已成功實現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。此外，日本 kagawa 大學(xué)的 Ko則設(shè)計出了一種能上樓梯的被動四桿機(jī)構(gòu)假肢膝關(guān)節(jié)[15]實驗樣機(jī)。患者假腿下與樓梯地面接觸時會使小腿連桿的鉸鏈移動到側(cè)連桿的開槽當(dāng)中，從而完曲狀態(tài)下的自鎖，實現(xiàn)上樓功能。
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TH789

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 劉亦洋;姚亞峰;宋海濤;葛文杰;;淺析基于可變傳動比齒輪-五桿機(jī)構(gòu)的跳躍機(jī)構(gòu)的特性[J];機(jī)械設(shè)計;2015年08期

2 吳波;陳照波;程明;;新型假肢膝關(guān)節(jié)的設(shè)計與仿真研究[J];機(jī)械設(shè)計與制造;2015年06期

3 張莉潔;盧文濤;曹學(xué)民;;四連桿仿生膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J];機(jī)床與液壓;2015年09期

4 崔巍;方憲法;趙亮;宋建農(nóng);林金天;董向前;;齒輪-五桿取苗裝置機(jī)構(gòu)優(yōu)化與試驗驗證[J];農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報;2013年08期

5 李淑云;王強(qiáng);于晶晶;;齒輪-五桿機(jī)構(gòu)的運動綜合[J];邢臺職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報;2012年01期

6 吳希瑤;翟少劍;郝倩;;假肢膝關(guān)節(jié)四桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化與仿真[J];機(jī)械設(shè)計;2011年09期

7 馮智勇;曾瀚;張力;趙亦欣;黃偉;;基于陀螺儀及加速度計信號融合的姿態(tài)角度測量[J];西南師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2011年04期

8 ;2010年第六次全國人口普查主要數(shù)據(jù)公報(第1號)[J];中國計劃生育學(xué)雜志;2011年08期

9 ;世界殘疾報告(概要)[J];中國康復(fù)理論與實踐;2011年06期

10 劉亦洋;葛文杰;楊方;高利霞;;基于可變傳動比齒輪-五桿機(jī)構(gòu)的仿袋鼠跳躍機(jī)器人特性研究[J];機(jī)械科學(xué)與技術(shù);2011年05期

相關(guān)會議論文 前1條

1 馬玉良;羅志增;孟明;佘青山;;基于LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能下肢假肢自適應(yīng)控制[A];第七屆全國康復(fù)醫(yī)學(xué)工程與康復(fù)工程學(xué)術(shù)研討會論文集[C];2010年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前3條

1 張敏;擬合齒輪五桿水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的研究[D];東北農(nóng)業(yè)大學(xué);2014年

2 于晶晶;齒輪—五桿機(jī)構(gòu)精確與近似尺寸綜合研究及計算機(jī)模擬[D];燕山大學(xué);2007年

3 姜愛國;齒輪—五桿組合機(jī)構(gòu)連桿曲線特性的研究[D];西北工業(yè)大學(xué);2003年

本文編號：2688388