上海交通大学：《力学仿生——启示与探索》课程教学资源（论文资料）陆地仿生_自适应性主动式下肢假肢仿生控制方法研究.pdf_P11-P15

目录第一章绪论............................................................................................................... - 1 - 1.1 背景和意义........................................................ .- 1 - 1.2 国内外研究现状 .................................................................................................... - 2 - 1.2.1 国外研究现状............................................................................................... - 2 - 1.2.2 国内研究现状............................................................................................... - 3 - 1.3 下肢假肢控制方法研究......................................................................................... - 5 - 1.3.1 基于模型的控制方法.................................................................................. - 5 - 1.3.2 基于行为的控制方法.................................................................................. - 5 - 1.3.3 基于中枢模式发生器的控制方法............................................................... - 6 - 1.4 课题主要研究内容................................................................................................. - 7 - 第二章下肢运动信号的采集与分析 ........................................................................ - 9 - 2.1 人体下肢运动相关定义......................................................................................... - 9 - 2.2 步态信息采集系统简介....................................................................................... - 10 - 2.3 下肢膝关节步态数据采集................................................................................... - 11 - 2.4 小结...................................................................................................................... - 13 - 第三章基于 CPG 仿生控制方法的研究................................................................... - 15 - 3.1 CPG 仿生控制原理的研究................................................................................... - 15 - 3.2 CPG 的振荡器模型............................................................................................... - 16 - 3.2.1 Hopf 振荡器 ............................................................................................... - 16 - 3.2.2 Rayleigh 振荡器 ......................................................................................... - 18 - 3.2.3 Vanderpol 振荡器 ....................................................................................... - 20 - 3.2.4 振荡器模型的选取.................................................................................... - 21 - 3.3 基于 Dynamic Hebbian Learning 的改进振荡器模型.......................................... - 23 - 3.3.1 Dynamic Hebbian Learning 算法简介 ........................................................ - 23 - 3.3.2 基于 Dynamic Hebbian Learning 的改进 Hopf 振荡器模型 ..................... - 23 - 3.4 基于改进 Hopf 振荡器的 CPG 数学模型............................................................ - 25 - 3.4.1 CPG 数学模型简介.................................................................................... - 25 - 3.4.2 CPG 对平地行走的学习 ............................................................................ - 27 - 3.4.3 CPG 对其他步态的学习 ............................................................................ - 30 - 3.5 CPG 控制步态的产生........................................................................................... - 33 - 万方数据

自适应性主动式下肢假肢仿生控制方法研究 3.5.1 步态控制信号的产生................................................................................ - 33 - 3.5.2 步速调节的实现........................................................................................ - 34 - 3.5.3 步态切换的实现........................................................................................ - 35 - 3.6 小结...................................................................................................................... - 36 - 第四章基于双下肢仿生平台的验证 ...................................................................... - 37 - 4.1 双下肢仿生平台的介绍........................................................................................ - 37 - 4.1.1 双下肢仿生平台硬件介绍 ......................................................................... - 37 - 4.1.2 控制器控制方式说明................................................................................ - 39 - 4.1.3 常用函数库 ............................................................................................... - 41 - 4.2 Labview 简介 ........................................................................................................ - 42 - 4.3 主控制界面介绍 .................................................................................................. - 44 - 4.4 控制程序功能介绍............................................................................................... - 45 - 4.5 验证...................................................................................................................... - 47 - 4.5.1 平地行走步态控制.................................................................................... - 47 - 4.5.2 步速调节的步态控制................................................................................ - 48 - 4.5.3 步态切换的步态控制................................................................................ - 48 - 4.6 小结...................................................................................................................... - 49 - 第五章结论............................................................................................................. - 51 - 5.1 论文主要完成的工作............................................................................................ - 51 - 5.2 工作展望.............................................................................................................. - 52 - 参考文献..................................................................................................................... - 53 - 攻读学位期间所取得的相关科研成果 ...................................................................... - 59 - 致谢 ............................................................................................................................ - 61 - 万方数据

河北工业大学硕士学位论文第一章绪论 1.1背景和意义车祸、疾病和先天残疾都可能给人带来身体上的残疾，在肢体残疾的人群中，下肢残疾人群占据相当大的比例。这部分人群由于肢体残疾的原因，失去了最基本的行走的能力，生活范围和工作范围受到了很大的约束，下肢的残疾不仅仅影响了这些人群的生活和劳动，连最基本的行走都成为一种奢望，进而使截肢患者的生理和心理受到双重打击，严重影响了患者正常的生活。目前在我国国家的信息统计中，残疾人占总人数的5%左右，而其中约14.6%为肢体残疾的残疾人，人数约为877万人，这其中需要安装假肢的约有100万人。这些数量巨大的截肢者对安装假肢有迫切的需要，安装假肢用来补偿截肢造成的肢体残缺，成为截肢者回归社会和工作的重要方法和手段。下肢假肢的研发在假肢研发领域中，是一个重要的研发方向。根据膝关节假肢的力矩实现方法可以将假肢分为：被动型假肢，半主动型假肢和动力驱动型假肢。被动型假肢和半主动型假肢是现在假肢市场上应用最多，技术也最为成熟的假肢，其工作原理是依靠残存的肢体带动假肢膝关节的运动，其最大的优点是安全可靠。但是因为被动型假肢不能为人体行走主动的提供力矩，长时间的行走或在复杂的路况下，会明显的让假肢穿戴者感觉疲惫，不能有效的解决残疾人对假肢的需要也限制了残疾人的活动范围，假肢由为残疾人提供行走支持的本意变为残疾人的行走负担)。针对被动型假肢和半主动型假肢存在的问题，主动式假肢（也称动力型驱动假肢）在近些年得到快速发展和应用刊。主动型假肢是指在假肢的基础上添加了各种传感器、微处理器和控制器，进而可以对外部环境的信息进行采集、分析，并根据获取到的信息对假肢的结构参数进行调整，从而使假肢适应外界环境的变化。因为微处理器的加入，可以实现更为复杂的数据采集分析，更好的完成对假肢的复杂控制。主动式假肢克服了被动假肢的很多缺点，可以实现对人体步态的学习，根据采集到的环境信息对步态进行识别进而做出步态的调整，从而实现行走过程中假肢侧与健肢侧的协调；可以主动的为截肢患者的步态行走提供转动力矩，实现假肢关节角度的任意控制，增加 -1- 万方数据

河北工业大学硕士学位论文 - 1 - 第一章绪论 1.1 背景和意义车祸、疾病和先天残疾都可能给人带来身体上的残疾，在肢体残疾的人群中，下肢残疾人群占据相当大的比例。这部分人群由于肢体残疾的原因，失去了最基本的行走的能力，生活范围和工作范围受到了很大的约束，下肢的残疾不仅仅影响了这些人群的生活和劳动，连最基本的行走都成为一种奢望，进而使截肢患者的生理和心理受到双重打击，严重影响了患者正常的生活。目前在我国国家的信息统计中，残疾人占总人数的 5%左右，而其中约 14.6%为肢体残疾的残疾人，人数约为 877 万人，这其中需要安装假肢的约有 100 万人[1]。这些数量巨大的截肢者对安装假肢有迫切的需要，安装假肢用来补偿截肢造成的肢体残缺，成为截肢者回归社会和工作的重要方法和手段。下肢假肢的研发在假肢研发领域中，是一个重要的研发方向。根据膝关节假肢的力矩实现方法可以将假肢分为：被动型假肢，半主动型假肢和动力驱动型假肢[2]。被动型假肢和半主动型假肢是现在假肢市场上应用最多，技术也最为成熟的假肢，其工作原理是依靠残存的肢体带动假肢膝关节的运动，其最大的优点是安全可靠。但是因为被动型假肢不能为人体行走主动的提供力矩，长时间的行走或在复杂的路况下，会明显的让假肢穿戴者感觉疲惫，不能有效的解决残疾人对假肢的需要也限制了残疾人的活动范围，假肢由为残疾人提供行走支持的本意变为残疾人的行走负担[3]。针对被动型假肢和半主动型假肢存在的问题，主动式假肢（也称动力型驱动假肢）在近些年得到快速发展和应用[4]。主动型假肢是指在假肢的基础上添加了各种传感器、微处理器和控制器，进而可以对外部环境的信息进行采集、分析，并根据获取到的信息对假肢的结构参数进行调整，从而使假肢适应外界环境的变化。因为微处理器的加入，可以实现更为复杂的数据采集分析，更好的完成对假肢的复杂控制。主动式假肢克服了被动假肢的很多缺点，可以实现对人体步态的学习，根据采集到的环境信息对步态进行识别进而做出步态的调整，从而实现行走过程中假肢侧与健肢侧的协调；可以主动的为截肢患者的步态行走提供转动力矩，实现假肢关节角度的任意控制，增加万方数据

自适应性主动式下肢假肢仿生控制方法研究了假肢穿戴者的穿戴舒适度，减少行走过程中的疲惫感，更符合假肢患者对假肢的要求，因而己经逐渐成为假肢发展的趋势5,6。对主动式下肢假肢的研发，基本侧重在新材料的应用，假肢传动方式的改进，假肢控制方式的智能化等三个方面。在新材料的应用方面，使用的材料强度越来越高，重量越来越低，主要以碳素纤维和其他复合材料为主⑧)传动方式则以基本的液压、汽压为主，主要改变假肢的机械结构，使其能够满足复杂的步态行走的要求9。控制系统方面，常见的假肢控制方法有基于模型的控制、基于行为的控制和基于中枢模式发生器的控制，基于模型的控制可以实现精确复杂运动的控制，但是对于环境的适应性差，基于行为的控制方式则可以较好的适应非结构化环境，但对于复杂的任务则难于规划0。随着微处理器和嵌入式系统的发展，整个控制系统集成度越来越高处理速度越来越快，可以使用更为复杂的控制算法对假肢进行控制，进而实现越来越复杂的步态控制，2。基于中枢模式发生器的假肢控制方法是一种基于仿生学的控制方法，通过模拟生物体自身的行走步态控制原理，并将其应用于对假肢的控制，近年来已经成为假肢控制方法的一个研究方向，受到了越来越多的专家学者的关注。 1.2国内外研究现状 1.2.1国外研究现状为了解决下肢假肢行走速度固定的问题，1986年日本的中川昭夫等人首先提出了基于微处理器的智能假肢膝关节控制，该技术许可在1990年由英国布莱切福特公司获得，并随后在1993年研制出了世界上第一个人工腿P(Intelligent Prosthesis)(如图1.1所示)，其主要特点是能够通过传感器计算穿戴者的当前行走速度，对速度进行等级的划分，进而为汽缸提供不同大小的阻尼，使摆动相的摆动更符合人体对假肢的要求131 2006年，德国Otto bock公司发明了世界上首例应用“人工智能”的CLeg智能仿生腿（如图1.2所示），CLg是目前世界上应用较广泛的一款高端智能膝关节，可以自动的适应步速，根据行走的步长和步伐的频率进行假肢参数的调整，即使在斜坡和不平整的路面行走，假肢也可以自动的完成调整。C-Lg可以根据用户剩余的残肢和反应能力，做出步态的调整从而防止使用者跌倒的可能，提高了使用的安全性和可靠性16,1刀。 2009年，冰岛Ossur公司发明了世界上第一款主动型人工智能假肢POWER KNEE (如图13所示)。该假肢具备集成式的人工智能(AI)系统、完善的传感器识别系统， -2- 万方数据

自适应性主动式下肢假肢仿生控制方法研究 - 2 - 了假肢穿戴者的穿戴舒适度，减少行走过程中的疲惫感，更符合假肢患者对假肢的要求，因而已经逐渐成为假肢发展的趋势[5,6]。对主动式下肢假肢的研发，基本侧重在新材料的应用，假肢传动方式的改进，假肢控制方式的智能化等三个方面[7]。在新材料的应用方面，使用的材料强度越来越高，重量越来越低，主要以碳素纤维和其他复合材料为主[8]；传动方式则以基本的液压、汽压为主，主要改变假肢的机械结构，使其能够满足复杂的步态行走的要求[9]。控制系统方面，常见的假肢控制方法有基于模型的控制、基于行为的控制和基于中枢模式发生器的控制，基于模型的控制可以实现精确复杂运动的控制，但是对于环境的适应性差，基于行为的控制方式则可以较好的适应非结构化环境，但对于复杂的任务则难于规划[10]。随着微处理器和嵌入式系统的发展，整个控制系统集成度越来越高处理速度越来越快，可以使用更为复杂的控制算法对假肢进行控制，进而实现越来越复杂的步态控制[11,12]。基于中枢模式发生器的假肢控制方法是一种基于仿生学的控制方法，通过模拟生物体自身的行走步态控制原理，并将其应用于对假肢的控制，近年来已经成为假肢控制方法的一个研究方向，受到了越来越多的专家学者的关注。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国外研究现状为了解决下肢假肢行走速度固定的问题，1986 年日本的中川昭夫等人首先提出了基于微处理器的智能假肢膝关节控制，该技术许可在 1990 年由英国布莱切福特公司获得，并随后在 1993 年研制出了世界上第一个人工腿 IP（Intelligent Prosthesis）（如图 1.1 所示）,其主要特点是能够通过传感器计算穿戴者的当前行走速度，对速度进行等级的划分，进而为汽缸提供不同大小的阻尼，使摆动相的摆动更符合人体对假肢的要求[13-15]。 2006 年，德国 Otto bock 公司发明了世界上首例应用“人工智能”的 C_Leg 智能仿生腿（如图 1.2 所示），C_Leg 是目前世界上应用较广泛的一款高端智能膝关节，可以自动的适应步速，根据行走的步长和步伐的频率进行假肢参数的调整，即使在斜坡和不平整的路面行走，假肢也可以自动的完成调整。C-Leg 可以根据用户剩余的残肢和反应能力，做出步态的调整从而防止使用者跌倒的可能，提高了使用的安全性和可靠性[16,17]。 2009年，冰岛Ossur公司发明了世界上第一款主动型人工智能假肢POWER KNEE （如图 1.3 所示）。该假肢具备集成式的人工智能（AI）系统、完善的传感器识别系统，万方数据