磁流变假肢膝关节结构集成及其适配技术研究进展

假肢在截肢者生活中扮演着重要角色,一方面可给人体站立提供支撑,另一方面可帮助截肢者的残肢运动。磁流变假肢是利用磁流变阻尼器(Magnetorheological damper,MRD)为阻尼器件的新型半主动假肢。详细介绍了磁流变假肢的结构组成和工作原理;指出了磁流变假肢结构的特点及应用,并对不同结构特点的磁流变假肢进行了分类和比较;同时阐述了当前磁流变假肢膝关节中主流的控制方法,针对不同控制方法的特点进行了对比分析;最后展望未来磁流变假肢的发展趋势及实际应用。

磁流变假肢膝关节CT+PD轨迹跟踪控制研究

以磁流变阻尼器为制动器的磁流变假肢膝关节具有阻尼连续可调的优点,但如何使其具有较好的仿生性是限制磁流变假肢膝关节商业化发展的重要因素。基于健康人在平地行走的步态数据,建立单轴式磁流变假肢膝关节处于摆动相内的动力学模型。在传统比例微分(Proportional Derivative,PD)控制基础上,引入计算力矩(Computing Torque,CT)控制方法,提出CT+PD轨迹跟踪控制算法,并对单轴式磁流变假肢膝关节小腿摆动角度进行控制。介绍了CT+PD轨迹跟踪控制算法原理并对其稳定性进行分析。建立磁流变假肢膝关节控制系统,并将PD控制器与CT+PD控制器对比,仿真得到CT+PD控制器的最大绝对误差为4.6°,而PD控制器的最大绝对误差为12.3°,证明了CT+PD轨迹跟踪控制对磁流变假肢膝关节轨迹跟踪的有效性。

磁流变阻尼假肢膝关节的参数设计与特性研究

设计了一种基于磁流变阻尼器的假肢膝关节,利用拉格朗日理论建立假磁流变阻尼肢膝关节的动力学模型。对设计的磁流变阻尼假肢膝关节进行参数化设计,采用ADAMS仿真软件对参数化后的假肢进行仿真,分析了不同路面条件下假肢的驱动力矩和磁流变阻尼器的阻尼力。结果显示:在摆动期,磁流变阻尼假肢的驱动力矩发生了显著的变化,需要较大的驱动力矩。在摆动阶段,磁流变阻尼器的阻尼力较大,相对于平地行走和上楼梯而言,磁流变阻尼器输出的阻尼力在下楼梯时更大。因此,基于磁流变阻尼器的假肢膝关节为后续研究奠定了一定的理论基础,通过一系列的参数化设计,使得磁流变阻尼假肢膝关节满足性能要求。