智能假肢踝关节控制系统设计与控制方法研究

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智能假肢是机器人学和生物医学工程学领域中的一个热点课题,通过安装智能下肢假肢可有效地恢复下肢截肢患者的行走功能,但大多数的智能假肢只是考虑了膝关节功能的恢复,对踝关节的研究相对较少。传统的踝关节假肢只是作为膝关节假肢的辅助器具,完成基本的代步功能,无法根据外界环境和步态的变化实现自然的步态,在行走舒适度和步态美观性上存在不足。  针对传统踝关节假肢存在的缺点和不足,本文调研了现有的踝关节假肢,在详细分析人体踝关节运动特征的基础上,采用了阻尼可变式踝足假肢,围绕着智能假肢踝关节的控制问题展开了深入的研究。本文的主要内容如下:  1.利用三维步态分析系统进行了人体步态实验,采集了人体平地行走下肢运动数据,详细分析了人体平地行走踝关节的角度、扭矩、地面反作用力及能量特征,详细阐述了踝关节的运动特征,为假肢踝关节的控制提供了理论基础。  2.基于踝关节的步态特征,提出了基于有限状态机的控制方法。对人体踝关节步态相位进行了详细划分,制定了详细的控制策略,通过假肢上的传感器实时采集人体步态信息,控制系统感知当前的步态事件,步态事件触发控制策略的改变,从而通过执行机构改变步态状态。  3.设计了以MSP430单片机为核心的智能假肢踝关节控制器,控制器硬件电路主要包括电源模块、步速测量模块和直线步进电机驱动模块等部分,此外进行了详细的软件设计,控制器运行稳定,控制精度高,响应速度快,能够实现假肢踝关节的控制要求。
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