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。

单轴式磁流变假肢膝关节设计及CT+PD轨迹跟踪控制

针对传统假肢膝关节存在阻尼无法连续可调、仿生性不佳及价格高昂等问题,提出一种以磁流变阻尼器(Magnetorheological damper, MRD)为控制器件的新型磁流变假肢膝关节(Magnetorheological damper-based prosthetic knee, MRPK)。基于健康人在平地行走的步态数据,对单轴式MRPK进行结构设计,并建立其处于摆动相内的动力学模型,得到MRD的阻尼力需大于208.6 N及行程需大于33.3 mm。对MRD进行结构设计并利用ANSYS对其进行电磁场仿真分析,同时建立MRD的正向、逆向力学模型并得到其性能曲线。采用联合仿真的方法建立磁流变假肢膝关节控制系统,设计CT+PD轨迹跟踪控制器并与PD控制器对比,仿真得到CT+PD控制器的最大误差为-4.6°,而PD控制器的最大误差为12.3°。初步证明了CT+PD轨迹跟踪控制对MRPK摆动控制的有效性。

基于磁流变阻尼器的假肢设计及轨迹跟踪特性

针对当前假肢存在的阻尼固定、结构复杂及成本较高等问题,提出一种以磁流变阻尼器为执行元件的假肢。首先对假肢进行结构设计,并建立其动力学模型。针对膝关节阻尼性能需求,对磁流变阻尼器进行结构设计。搭建磁流变阻尼器动力性能试验台,对加工的磁流变阻尼器进行动力性能测试。为准确表征磁流变阻尼器的动力性能,基于可调Sigmoid模型建立磁流变阻尼器的正向力学模型,并采用BP神经网络建立磁流变阻尼器逆向力学模型。针对假肢系统中存在的非线性和耦合性问题,采用CT+PD控制算法来跟踪膝关节摆动轨迹。最后搭建假肢测试系统并对膝关节摆动角度进行实验测试,结果表明基于CT+PD控制算法的假肢总体上能实现对参考步态的跟踪,具有较好的仿生性。

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。

四连杆磁流变假肢设计及迭代学习轨迹跟踪控制

为提高智能假肢行走步态的仿生性以及复杂运动的能力,采用磁流变阻尼器(MRD)作为制动器设计了一种新型四连杆假肢膝关节。首先根据人体肢体尺寸及平地行走的步态数据,对四连杆磁流变假肢膝关节进行结构设计,并建立其动力学模型。利用仿真得到的MRD性能曲线,建立其逆向力学模型。为解决四连杆假肢建模复杂、跟踪精度低以及周期性扰动的问题,设计迭代学习控制器,并对其收敛性进行分析。通过仿真测试得到迭代学习控制下的磁流变假肢膝关节轨迹跟踪最大误差仅为1.6°,实现了对期望轨迹的精准跟踪。