下肢康复型外骨骼自适应步态规划策略研究

来源 :南京理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhubin19851021
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目前随着我国的残障人士增多,以及人口老龄化的急剧加快,下肢康复型外骨骼已然成为国际学术和工程技术界的研究热点。然而,作为下肢康复型外骨骼的关键技术之一步态规划技术的发展,仍需进一步研究。本文针对现有步态规划技术存在的步态稳定性不强、对患者运动的自适应性不高等问题,进行自适应步态规划技术的研究,并在10自由度下肢康复型外骨骼虚拟样机中成功应用。主要完成的研究工作有:首先,针对10自由度的下肢外骨骼系统,实现对下肢外骨骼的运动学、动力学建模。在分析人体下肢生理机构和行走步态特点等基础上,利用D-H参数法分别对下肢外骨骼摆动腿、支撑腿进行正、逆运动学分析,采用Simulink对运动学求解结果进行验证。在此基础上,基于拉格朗日方程法建立摆动腿的动力学模型,但考虑到动力学建模精确性有限,采用MATLAB/Sim Mechanics实现下肢外骨骼整体虚拟样机的建立。其次,为实现自适应稳定行走,提高步态稳定性,提出了一种基于ZMP在线校正的稳定性步态规划策略。针对下肢外骨骼桌子-小车模型,利用改进预观控制算法以及期望ZMP参考轨迹,并由ZMP在线校正策略实时补偿生成质心运动。同时结合传统多项式插值方法获得的摆动足部轨迹,完成下肢双腿髋、膝、踝关节的运动学逆解。然后,为实现对患者健肢步态的自适应学习,满足规划步态的适宜性,提出了一种基于振荡器学习的学习性步态规划策略。本文提出了i DE AHopf振荡器步态学习方法,具体由改进型差分进化算法(i DE)优化自适应Hopf振荡器,通过学习健肢的步态,映射到另一只障肢中,完成了下肢外骨骼髋、膝关节的规划,并与DE AHopf振荡器、自适应Hopf振荡器进行学习误差、速度的对比。与此同时,本文还提出RBF-DMP振荡器步态学习的方法,该方法基于RBF神经网络对DMP振荡器优化,应用于下肢外骨骼的在线步态规划当中。最后,为达到辅助行走过程中,外骨骼自适应患者的运动意图、行走特征,设计了一种学习足部三维运动轨迹的自适应性步态规划策略。该策略具体分为步态规划层、步态控制层。在步态规划层中,采用i DE AHopf振荡器自适应学习、模拟患者行走历史的足部三维运动轨迹;基于自适应步长估计方法,在双腿支撑期中,根据患者的质心变化,估计下一步行走步长;单步规划器结合当前质心状态,在线规划质心轨迹。在步态控制层中,实现各关节的运动学逆解,通过模糊免疫PID控制器完成关节轨迹的跟踪,同时采用平衡步态自适应调整技术调整关节轨迹,提高步态稳定性。最终通过对建立的下肢外骨骼Sim Mechanics虚拟样机仿真,验证该步态规划策略的整体有效性。
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