【摘 要】
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随着老龄化进程的加剧,下肢运动障碍患者不断增加,对于下肢康复外骨骼的需求不断增加。步态规划技术作为下肢康复外骨骼的关键技术之一受到越来越多科研工作者的关注。到目前为止,下肢康复外骨骼的步态规划技术领域依然存在步态稳定性不足、步态轨迹对患者的适应性不足等问题。针对存在的这些问题,本文进行下肢康复外骨骼步态规划方法的研究。主要研究内容如下:(1)对下肢外骨骼选择了10自由度的配置,通过分析人体骨骼结构
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随着老龄化进程的加剧,下肢运动障碍患者不断增加,对于下肢康复外骨骼的需求不断增加。步态规划技术作为下肢康复外骨骼的关键技术之一受到越来越多科研工作者的关注。到目前为止,下肢康复外骨骼的步态规划技术领域依然存在步态稳定性不足、步态轨迹对患者的适应性不足等问题。针对存在的这些问题,本文进行下肢康复外骨骼步态规划方法的研究。主要研究内容如下:(1)对下肢外骨骼选择了10自由度的配置,通过分析人体骨骼结构相关参数和步行特点,建立下肢外骨骼简化多连杆模型。运用D-H分析法对支撑腿和摆动腿进行运动学分析并使用Matlab对结果进行验证。运用拉格朗日法分析摆动腿的动力学,为了动力学的准确性,从Solidworks中导入下肢外骨骼机械模型,采用Simulink中的Simscape模块进行动力学分析。(2)为了获得稳定的步态轨迹,设计了基于质心修正控制的步态规划方法。首先通过多项式插值规划出零力矩点(ZMP)参考轨迹和足部摆动轨迹;其次针对倒立摆模型采用质心修正控制的方法修正质心轨迹,结合足部摆动轨迹进行运动学逆解,得到关节轨迹。(3)为了能够得到符合人体特征的步态轨迹,设计了基于广义回归神经网络-动态运动基元(GRNN-DMP)的步态学习方法。捕捉与患者具有相近下肢生理结构的健康者的步态并进行滤波插值处理,作为参考轨迹输入到GRNN-DMP系统中,得到的学习结果与全局回归-动态运动基元(GR-DMP)和径向基函数神经网络-动态运动基元(RBFNN-DMP)对比。(4)为了提高人体在步态生成过程中的参与度,加强步态轨迹对人体的适应性,设计了主被动相结合的自适应步态规划方法。首先采用GRNN-DMP学习患者历史步态数据,获取患者的步行特征。其次,采用主被动意图估计的方法分别估计此时人体的主动意图和被动意图,综合两种意图估计出下一步步长,GRNN-DMP根据步长模拟出相应的足部摆动轨迹。然后,结合ZMP参考轨迹,采用预览控制生成质心轨迹,通过运动学逆解规划出关节轨迹。最后,采用RBFNN-PID控制方法控制下肢外骨骼追踪规划出的关节轨迹。在Simulink进行虚拟样机仿真,结果说明了该方法的有效性。
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