踝關(guān)節(jié)假肢是生物工程學(xué)和康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域中的熱點(diǎn)課題,這種假肢可以有效的為小腿截肢患者補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)能力。在國家自然科學(xué)基金（91748110）和（51275170）的支持下,進(jìn)行了對(duì)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(duì)人體行走過程中踝關(guān)節(jié)生物力學(xué)特性的分析,和對(duì)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(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),研制了一種主被動(dòng)混合驅(qū)動(dòng)的踝關(guān)節(jié)假肢試驗(yàn)樣機(jī)。根據(jù)人體踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)特性,提出了一種基于有限狀態(tài)機(jī)和模糊PID的控制方案。通過對(duì)假肢的運(yùn)動(dòng)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(jī)的控制器硬件結(jié)構(gòu)與軟件系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了傳感器信號(hào)的采集,控制算法的編程和電機(jī)的伺服控制。試驗(yàn)結(jié)果表明,試驗(yàn)樣機(jī)的角度控制和有限狀態(tài)機(jī)控制可以得到類似人體踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的角度曲線,并且根據(jù)傳感器信息可以實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)動(dòng)階段之間的切換,基本滿足截肢患者的運(yùn)動(dòng)需求�？刂葡到y(tǒng)的仿真結(jié)果與樣機(jī)的試驗(yàn)驗(yàn)證了樣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和控制方案的可行性,為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)樣機(jī)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(jí)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(dòng)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(jì)目標(biāo)
        2.3.1 機(jī)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(dòng)踝關(guān)節(jié)假肢樣機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析
    3.1 試驗(yàn)樣機(jī)整體構(gòu)型研究
        3.1.1 試驗(yàn)樣機(jī)結(jié)構(gòu)構(gòu)型
        3.1.2 試驗(yàn)樣機(jī)模型整體結(jié)構(gòu)
    3.2 假肢關(guān)鍵部件研究
        3.2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)
        3.2.2 SEA執(zhí)行器研究
        3.2.3 并聯(lián)彈簧機(jī)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(dòng)踝關(guān)節(jié)假肢控制方法研究
    4.1 假肢運(yùn)動(dòng)學(xué)模型
        4.1.1 假肢機(jī)構(gòu)簡圖
        4.1.2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
    4.2 直流電機(jī)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(jī)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(dòng)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(jī)最小核心電路設(shè)計(jì)
        5.2.3 角度傳感器信號(hào)模塊
        5.2.4 薄膜壓力傳感器信號(hào)采集模塊
        5.2.5 電機(jī)控制輸出模塊
        5.2.6 串口通訊模塊設(shè)計(jì)與分析
        5.2.7 nRF無線通訊模塊設(shè)計(jì)與分析
        5.2.8 控制器的PCB設(shè)計(jì)
    5.3 直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊
    5.4 本章小結(jié)
第6章 主被動(dòng)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(jì)分析
        6.3.1 傳感器信號(hào)采集
        6.3.2 控制算法
        6.3.3 電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制
        6.3.4 nRF通訊模塊程序研究
    6.4 上位機(jī)程序研究
    6.5 本章小結(jié)
第7章 樣機(jī)試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析
    7.1 試驗(yàn)裝置搭建
    7.2 角度跟隨控制試驗(yàn)
    7.3 有限狀態(tài)機(jī)控制試驗(yàn)
    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(diǎn)
    8.2 研究展望
參考文獻(xiàn)
致謝
攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文


【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于ARM的嵌入式包裝搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 孫玥,魏欣.  包裝工程. 2017(23)
[2]淺談ST-LINK調(diào)試器的時(shí)間線調(diào)試技巧[J]. 夏傳東.  單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用. 2017(08)
[3]Altium Designer技術(shù)在PCB板設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J]. 葉俊杰.  電子質(zhì)量. 2017(02)
[4]踝關(guān)節(jié)扭傷的生物力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)研究進(jìn)展[J]. 趙勇,王鋼.  中國骨傷. 2015(04)
[5]一種低壓大電流H橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)[J]. 紀(jì)玉亮,王旭東,龍江,周凱.  哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào). 2015(02)
[6]基于模糊PID控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)[J]. 趙正黎,于惠鈞,張發(fā)明,谷雅瓊.  湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào). 2015(02)
[7]動(dòng)力踝關(guān)節(jié)假肢設(shè)計(jì)與仿真[J]. 冉洋冰,曹恒,朱鈞.  制造業(yè)自動(dòng)化. 2014(11)
[8]一種基于布局布線協(xié)同的PCB設(shè)計(jì)算法[J]. 閆利平,陳慶奎.  計(jì)算機(jī)工程. 2014(05)
[9]基于應(yīng)變片陣列的機(jī)器人變剛度關(guān)節(jié)力矩傳感器研究[J]. 王士浩,查富生,尹鵬,王鵬飛,李滿天.  機(jī)械與電子. 2014(03)
[10]混合驅(qū)動(dòng)踝足假肢阻抗控制方法[J]. 朱鈞,曹恒,王瑜,孫波,姚海慶.  中國科技論文. 2014(01)

博士論文
[1]混聯(lián)下肢外骨骼的步態(tài)規(guī)劃與控制研究[D]. 潘大雷.上海交通大學(xué) 2015
[2]下肢運(yùn)動(dòng)模式識(shí)別及動(dòng)力型假肢膝關(guān)節(jié)控制方法研究[D]. 耿艷利.河北工業(yè)大學(xué) 2012

碩士論文
[1]一種新型踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人機(jī)構(gòu)的研究[D]. 胡微微.中北大學(xué) 2017
[2]基于STM32的工程車輛遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[D]. 徐俊鋒.華東理工大學(xué) 2017
[3]主被動(dòng)混合驅(qū)動(dòng)的假腳—踝關(guān)節(jié)系統(tǒng)研究[D]. 沙海天.蘇州大學(xué) 2015
[4]基于STM32的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)研究[D]. 何彭.武漢理工大學(xué) 2015
[5]基于模糊推理的室內(nèi)定位方法研究[D]. 郭偉奇.電子科技大學(xué) 2015
[6]混合運(yùn)動(dòng)對(duì)社區(qū)糖尿病足危險(xiǎn)人群糖尿病足預(yù)防作用的研究[D]. 葉晶.復(fù)旦大學(xué) 2014
[7]糖尿病足骨髓炎患者患病及其截肢危險(xiǎn)因素研究[D]. 郭婕.天津醫(yī)科大學(xué) 2013
[8]基于nRF24L01的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 韋積慧.吉林大學(xué) 2012



本文編號(hào)：3433468