足踝復(fù)合體所處的特殊位置需要它在人體和地面之間形成重要的動態(tài)聯(lián)結(jié),人類完成的所有直立運動都要求足踝復(fù)合體不斷地適應(yīng)與配合身體周圍的環(huán)境。足踝復(fù)合體無論是在解剖結(jié)構(gòu)上還是功能上都具有高度的復(fù)雜性,動態(tài)步態(tài)模擬器作為足踝復(fù)合體生物力學(xué)研究的重要裝備,能夠利用尸體足踝模擬人體步態(tài)的站立相,并實現(xiàn)基于有創(chuàng)方法的足踝內(nèi)部動態(tài)行為(如骨骼運動規(guī)律、骨內(nèi)部應(yīng)力分布、韌帶和肌腱力學(xué)行為與關(guān)節(jié)接觸力等)的精確測量,對于足踝運動系統(tǒng)疾病機理的探討、手術(shù)方案的科學(xué)論證、運動損傷與防護的研究、仿生足踝系統(tǒng)的研制等具有重要意義。論文針對人體足踝生物力學(xué)的研究需求,分析了活體足踝步態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù),形成了步態(tài)模擬系統(tǒng)的技術(shù)與控制指標(biāo),提出了一種基于尸體足踝的具有主動脛骨控制方式的六自由度足踝動態(tài)步態(tài)模擬方法;所研制的步態(tài)模擬系統(tǒng)包括:基于基座可移動式六自由度并聯(lián)機械手的脛骨運動控制子系統(tǒng)、基于電液比例位置系統(tǒng)的基座驅(qū)動子系統(tǒng)、基于電液比例力控系統(tǒng)的脛骨隨動加載子系統(tǒng)與伺服電動缸驅(qū)動的四軸肌腱驅(qū)動子系統(tǒng);完成了各子系統(tǒng)的集成與原理樣機的試制,分析了足踝動態(tài)步態(tài)模擬過程中十二軸聯(lián)動系統(tǒng)的多執(zhí)行器耦合控制問題。對基座可移動式六自由度并聯(lián)機械手的運動學(xué)與動力學(xué)特性開展了深入的研究。利用電液比例位置系統(tǒng)驅(qū)動并聯(lián)機械手的基座,拓展了其末端執(zhí)行器在矢狀面內(nèi)沿步態(tài)前-后向的工作空間。在分析機械手逆運動學(xué)與逆動力學(xué)特性時,考慮了機械手組件由于基座在空間中存在加減速運動所產(chǎn)生的慣性力的影響,推導(dǎo)出了適用于具有可移動基座的并聯(lián)機械手研究領(lǐng)域的通用動力學(xué)方程;結(jié)合活體步態(tài)數(shù)據(jù),計算了六自由度足踝動態(tài)步態(tài)模擬過程中機械手支腿的驅(qū)動規(guī)律與驅(qū)動力。通過選取與末端執(zhí)行器固連的任意3個坐標(biāo)未知的參考點,構(gòu)建了并聯(lián)機械手正運動學(xué)分析所需的非線性方程組,無需借助旋轉(zhuǎn)矩陣即可精確計算末端執(zhí)行器的位姿。在ADAMS中開展了基于足踝多體模型的步態(tài)模擬系統(tǒng)動力學(xué)仿真研究,初步驗證了所提出的步態(tài)模擬方法的可行性。針對電液比例位置系統(tǒng)的高精度軌跡跟蹤問題,提出了基于徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RBFNN)的復(fù)合自適應(yīng)動態(tài)面控制算法。利用RBFNN實時估計與補償系統(tǒng)中的未知非線性摩擦力,利用動態(tài)面(DSC)技術(shù)構(gòu)建了系統(tǒng)的非線性控制器,引入指令濾波器對虛擬控制信號進行處理,克服了傳統(tǒng)反步控制(Backstepping Control)所固有的“微分項爆炸”問題。引入補償跟蹤信號消除了指令濾波器所帶來的濾波誤差的影響,設(shè)計了串行-并行預(yù)測模型來提高RBFNN的估計性能,而相應(yīng)的補償跟蹤誤差與模型預(yù)測誤差則被用來構(gòu)建RBFNN的復(fù)合自適應(yīng)律。利用Lyapunov理論對閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行了分析,針對步態(tài)模擬系統(tǒng)的多執(zhí)行器耦合控制問題,研究了基座驅(qū)動子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制方法。對比仿真與對比實驗結(jié)果驗證了所提出的控制算法的有效性與先進性。針對電液比例力控系統(tǒng)的高精度脛骨隨動加載問題,提出了一種基于迭代學(xué)習(xí)機制的輸出反饋動態(tài)面控制算法。利用高增益狀態(tài)觀測器對液壓系統(tǒng)中不可測量的狀態(tài)變量進行估計,利用DSC技術(shù)構(gòu)建了系統(tǒng)的非線性控制器并實現(xiàn)了液壓缸的高精度位置軌跡跟蹤,利用Lyapunov理論分析了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。設(shè)計了比例-積分-微分(PID)型迭代學(xué)習(xí)機制對液壓缸的理想位置軌跡進行優(yōu)化,確保在復(fù)雜的動態(tài)步態(tài)模擬過程中,液壓缸在跟蹤優(yōu)化的理想位置軌跡的同時,其輸出力逼近脛骨目標(biāo)加載曲線�；贛atlab/Simulink的仿真結(jié)果驗證了所提出的控制算法的有效性。結(jié)合活體足踝肌腱在站立相中的作用趨勢,提出了肌腱驅(qū)動子系統(tǒng)的模糊PID自整定控制算法,并針對步態(tài)模擬系統(tǒng)中的多執(zhí)行器耦合控制問題,探討了力控系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制方法。最后搭建了原理樣機的控制系統(tǒng)硬件與軟件平臺,完成了基座驅(qū)動子系統(tǒng)、脛骨隨動加載子系統(tǒng)與肌腱驅(qū)動子系統(tǒng)及其控制算法的實驗驗證,并最終完成了基于尸體足踝的綜合動態(tài)步態(tài)模擬實驗,驗證了所提出的六自由度足踝動態(tài)步態(tài)模擬系統(tǒng)及其控制策略的有效性與先進性。本文的研究內(nèi)容能夠為人體足踝生物力學(xué)的研究提供極大幫助。
【學(xué)位單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TP241;TP273
【部分圖文】：

圖 1-1 站立相中足踝復(fù)合體的連續(xù)姿態(tài)Fig. 1-1 The continuous posture of the FAC during the stance phase

圖 1-1 站立相中足踝復(fù)合體的連續(xù)姿態(tài)Fig. 1-1 The continuous posture of the FAC during the stance phase

圖 1-3 Sharkey 研制的步態(tài)模擬器與相關(guān)的實驗結(jié)果[9]Fig. 1-3 The gait simulator designed by Sharkey and the related experimental results為了能夠最大程度提高模擬速度并獲得更好的動態(tài)特性，Nester 設(shè)計了一種全開環(huán)控制的動態(tài)步態(tài)模擬器[25]。如圖 1-4 所示，該步態(tài)模擬器的執(zhí)行機構(gòu)都被安裝在
【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 馮洋;王冬梅;劉安民;王旭;;足踝步態(tài)模擬機動力學(xué)特性仿真及實驗驗證[J];醫(yī)用生物力學(xué);2014年05期

2 馮洋;王冬梅;劉安民;王旭;;足踝步態(tài)模擬機設(shè)計與運動特性分析[J];機械設(shè)計與制造;2014年08期

3 樓超;汪劍波;劉鐵帥;欽云峰;沈棋洪;朱麗波;周鵬;;足內(nèi)在肌的解剖學(xué)研究[J];中華臨床醫(yī)師雜志(電子版);2011年07期

4 陳根良;王皓;來新民;林忠欽;;基于廣義坐標(biāo)形式牛頓-歐拉方法的空間并聯(lián)機構(gòu)動力學(xué)正問題分析[J];機械工程學(xué)報;2009年07期

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相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

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相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

1 馮洋;人體足踝步態(tài)模擬機的運動和動力特性研究[D];上海交通大學(xué);2014年

2 徐振胤;足踝生物力學(xué)動態(tài)仿真器的多軸運動和力協(xié)同控制系統(tǒng)[D];上海交通大學(xué);2013年

本文編號：2854618