踝關(guān)節(jié)假肢是生物工程學(xué)和康復(fù)機器人領(lǐng)域中的熱點課題,這種假肢可以有效的為小腿截肢患者補償運動能力。在國家自然科學(xué)基金（91748110）和（51275170）的支持下,進行了對踝關(guān)節(jié)假肢的研究。為了使假肢具有正常人踝關(guān)節(jié)的行走特性,本課題開展了對人體行走過程中踝關(guān)節(jié)生物力學(xué)特性的分析,和對步態(tài)周期合理劃分的研究,采用串聯(lián)彈性執(zhí)行器（SEA）和并聯(lián)彈簧共同驅(qū)動的結(jié)構(gòu)設(shè)計,研制了一種主被動混合驅(qū)動的踝關(guān)節(jié)假肢試驗樣機。根據(jù)人體踝關(guān)節(jié)的運動特性,提出了一種基于有限狀態(tài)機和模糊PID的控制方案。通過對假肢的運動學(xué)分析,在MATLAB的Simulink環(huán)境中分別建立了角度與力矩控制仿真系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上,研制了一套基于STM32F103單片機的控制器硬件結(jié)構(gòu)與軟件系統(tǒng),實現(xiàn)了傳感器信號的采集,控制算法的編程和電機的伺服控制。試驗結(jié)果表明,試驗樣機的角度控制和有限狀態(tài)機控制可以得到類似人體踝關(guān)節(jié)運動的角度曲線,并且根據(jù)傳感器信息可以實現(xiàn)不同運動階段之間的切換,基本滿足截肢患者的運動需求。控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果與樣機的試驗驗證了樣機結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性和控制方案的可行性,為進一步實現(xiàn)樣機的應(yīng)用提供了依據(jù)。 

【文章來源】：華東理工大學(xué)上海市 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：92 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 課題研究背景及意義
    1.2 主被動踝關(guān)節(jié)假肢研究現(xiàn)狀
        1.2.1 國外研究現(xiàn)狀
        1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
    1.3 本文的主要研究內(nèi)容
第2章 人體行走踝關(guān)節(jié)模型研究
    2.1 人體踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)模型
    2.2 人體行走踝關(guān)節(jié)生物力學(xué)特性
        2.2.1 步態(tài)周期劃分
        2.2.2 踝關(guān)節(jié)阻抗分析
    2.3 踝關(guān)節(jié)假肢的設(shè)計目標(biāo)
        2.3.1 機械結(jié)構(gòu)需求
        2.3.2 傳感系統(tǒng)需求
        2.3.3 控制系統(tǒng)需求
    2.4 本章小結(jié)
第3章 主被動踝關(guān)節(jié)假肢樣機結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析
    3.1 試驗樣機整體構(gòu)型研究
        3.1.1 試驗樣機結(jié)構(gòu)構(gòu)型
        3.1.2 試驗樣機模型整體結(jié)構(gòu)
    3.2 假肢關(guān)鍵部件研究
        3.2.1 傳動系統(tǒng)
        3.2.2 SEA執(zhí)行器研究
        3.2.3 并聯(lián)彈簧機構(gòu)
    3.3 踝關(guān)節(jié)假肢系統(tǒng)工作過程
    3.4 本章小結(jié)
第4章 主被動踝關(guān)節(jié)假肢控制方法研究
    4.1 假肢運動學(xué)模型
        4.1.1 假肢機構(gòu)簡圖
        4.1.2 機構(gòu)運動學(xué)分析
    4.2 直流電機伺服控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)
    4.3 踝關(guān)節(jié)假肢控制算法研究
        4.3.1 有限狀態(tài)機控制研究
        4.3.2 底層模糊PID控制算法
    4.4 角度控制仿真
    4.5 力矩控制仿真
    4.6 本章小結(jié)
第5章 主被動踝關(guān)節(jié)假肢控制系統(tǒng)硬件模塊研究
    5.1 傳感器模塊研究
        5.1.1 角度傳感器
        5.1.2 壓力傳感器
        5.1.3 力矩傳感器分析
    5.2 控制器硬件模塊研究
        5.2.1 主控芯片簡介
        5.2.2 單片機最小核心電路設(shè)計
        5.2.3 角度傳感器信號模塊
        5.2.4 薄膜壓力傳感器信號采集模塊
        5.2.5 電機控制輸出模塊
        5.2.6 串口通訊模塊設(shè)計與分析
        5.2.7 nRF無線通訊模塊設(shè)計與分析
        5.2.8 控制器的PCB設(shè)計
    5.3 直流伺服電機驅(qū)動模塊
    5.4 本章小結(jié)
第6章 主被動踝關(guān)節(jié)假肢控制系統(tǒng)軟件分析
    6.1 開發(fā)環(huán)境與編程方法介紹
    6.2 主程序分析與研究
    6.3 功能模塊函數(shù)設(shè)計分析
        6.3.1 傳感器信號采集
        6.3.2 控制算法
        6.3.3 電機運動控制
        6.3.4 nRF通訊模塊程序研究
    6.4 上位機程序研究
    6.5 本章小結(jié)
第7章 樣機試驗與數(shù)據(jù)分析
    7.1 試驗裝置搭建
    7.2 角度跟隨控制試驗
    7.3 有限狀態(tài)機控制試驗
    7.4 本章小結(jié)
第8章 結(jié)論與展望
    8.1 研究結(jié)論
        8.1.1 研究成果
        8.1.2 研究創(chuàng)新點
    8.2 研究展望
參考文獻
致謝
攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文


【參考文獻】：
期刊論文
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本文編號：3433468