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面向助力膝关节外骨骼的弹性驱动器研制及实验研究 - 机器人
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下肢运动模式识别及动力型假肢膝关节控制方法研究论文.pdf 119页
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··········
··········
Dissertation Submitted to
Hebei University of Technology
The Doctor Degree of
Control Theory and Control Engineering
MOTION PATTERN RECOGNITION AND CONTROL OF
ACTIVE KNEE PROSTHESIS
Geng Yanli
Supervisor: Prof. Yang Peng
October 2012
This work was supported by the National Natural Science Foundation of China,
under grant No. , and by the National Science and Technology Support
Program of China, under grant No. 2009BAI71B04.
河北工业大学博士学位论文
下肢运动模式识别及动力型假肢膝关节控制方法研究
高性能假肢膝关节为大腿截肢者恢复正常下肢功能与重返社会活动提供有力保障。目
前进入市场假肢膝关节能够实现行走功能，长时间穿戴假肢因为步态不对称会对残端肌肉
与骨骼造成影响。动力型假肢膝关节能够利用动力元件提供支撑期推力与摆动期的伸展运
动，因此控制信号的获取以及运动角度的高度拟人特性是动力型假肢膝关节控制精度的重
要保证。本课题研究的动力型假肢膝关节将建立截肢者残肢运动信息采集系统，实现下肢
典型周期性运动模式的识别，基于有限状态机对动力型假肢膝关节控制方法进行研究，本
文主要研究内容如下：
利用 VICON 三维步态运动信息采集系统，对五种典型周期性运动的运动学信息进
行采集，得到下肢各标志点位置以及下肢髋关节、膝关节与踝关节在五种运动中的角度变
化范围。利用 AMTI 与 Novel
Pedar-X 测力系统得到五种运动中的地面反力信息，划分步
态周期并定义步态典型运动。采集穿戴被动式假肢的残疾人下肢关节角度信息，通过对比
五种路况健肢侧与残肢侧角度变化得出穿戴被动式假肢不仅使步态不对称而且增加了健
肢侧的负担。
2. 根据人机工程学中人体分段原理，利用 Solidworks 软件建立人体下肢 3D 模型，将
Vicon 中测量的下肢各关节运动角度数据作为3D 模型的输入数据，得到各关节角度、速度
与加速度信息进行人体下肢运动学分析。将人体下肢简化为 3 刚体模型，以牛顿第二定律
与牛顿-欧拉平衡方程为基础建立动力学计算公式，得到五种运动模式中力矩与功率信息，
对人体下肢动力学进行分析。
3. 为动力型膝上假肢设计了传感器系统，包含运动信息的采集与脚底压力信息的采
集，采集五种典型周期性运动的髋关节运动信息，利用 KNN
算法实现步态识别。在脚前
掌与脚后跟安装压力传感器实现一个完整步态不同时期的检测。此传感器系统能够很好的
实现下肢运动模式识别。
4. 动力型假肢膝关节要求不仅能够为穿戴者行走提供所需的动力，而且要达到与健
肢侧的协调运动。所研究的五种人体下肢运动步态具有很强的重复性和周期性，本课题采
用基于传感器驱动“有限状态机”(FSM)方法对动力型假肢膝关节控制方法进行研究。该
方法对典型的步态进行详细规划，输入事件由系统的传感器信息提供，假肢控制器根据控
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摘要目的: 设计一种用于智能假肢膝关节关键部件的电控液压阻尼缸. 方法: 该阻尼缸根据液压流体特性和加工工艺设计, 通过采用了一种新型微结构数字节流阀以及独特的双活塞液压缸结构, 可以实现膝关节伸展与屈曲的双向自动控制, 从而使改善假腿步态的对称 ...
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假肢膝关节电控液压阻尼缸设计***☆
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