（控制科学与工程专业论文）主动式踝关节假肢的优化设计与阻抗控制.pdf

武汉理：r 大学硕士学位论文 摘要 假肢是康复医学工程领域一个备受关注的研究课题，传统踝关节假肢多为 被动式，其机械性能在不同的步行速度和地形保持不变。对于每一个步态周期 和不同的步行速度，j 下常人体踝关节阻抗是变化的。人体踝关节在行走的支撑 相，特别是快速行走时起着积极作用。研究表明使用传统踝关节假肢的截肢者 行走时比健全人需要更多的能量，且不便于快速行走，消耗的能量增加是因为 传统假肢无法在支撑相提供能量补偿。 为了模拟人体脚踝，并增加步态的对称性和步行的经济性，踝关节假肢应 能提供动力，并增加步态的协调性。本文构建了由驱动器、传动装置、弹簧组 和碳纤维脚板组成的主动式踝关节假肢系统，为身体前进提供足够的能量，实 现人体自然步态。目前国内针对于主动式假肢的设计理念已成功运用到膝关节 上，但其运用于踝关节的研究尚属首例。 首先，本文介绍了主动式假肢的研究现状，以及人体行走时踝关节生物力 学特征。第二，分析人体步态特征和特征量间的对应关系，把非线性特性分段 线性化，找出一个明确的假肢控制目标。第三，针对假肢控制目标，构建一种 新型的结构模型。通过稳态分析和动态分析评价假肢系统内在力学性能，完成 假肢结构的参数计算和部件选型，利用s o l i d w o r k s 软件完成假肢结构的设计， 再建立假肢d s p 硬件控制平台，并进行可行性分析。最后，设计假肢的有限状 态机控制策略，详细规划出6 个子状态，并进行结构阻抗模型在伺服控制器作 用下的仿真研究。 仿真结果表明，基于有限状态机控制器的主动式踝关节假肢表现出准确性 和实时性，能够近似地模拟假肢控制目标的相位特征，并提供步态周期所需的 能量补充。得出结论：优化假肢结构和控制目标，选择更合理的假肢平衡状态， 详细规划假肢的有限状态机，可以减小踝关节角度跟踪误差。总之，主动式踝 关节假肢及其控制策略的设计方法是可行的，可以有效地用于踝关节假肢的行 走控制。 关键词：主动式踝关节假肢，结构模型，有限状态机，阻抗控制 武汉理：r 大学硕十学位论文 a b s t r a c t p r o s t h e s i sh a sb e e na ni n t e r e s t i n gr e s e a r c hp r o j e c ti nt h ef i e l d so fr e h a b i l i t a t i o n m e d i c i n ee n g i n e e r i n g c o n v e n t i o n a la n k l e f o o tp r o s t h e s e sa r e g e n e r a l l yp a s s i v e ， w h i c hm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sr e m a i nf i x e dw i t hw a l k i n gs p e e da n d - t e r r a i n n o r m a l h u m a na n k l ei m p e d a n c ev a r i e sw i t h i ne a c hg a i tc y c l ea n da l s ow i t hw a l k i n gs p e e d t h eh u m a na n k l ep r o v i d e sas i g n i f i c a n ta m o u n to fn e tp o s i t i v ew o r kd u r i n gt h es t a n c e p e r i o do fw a l k i n g ，e s p e c i a l l ya tf a s tw a l k i n gs p e e d s s t u d i e si n d i c a t et h a tt r a n s t i b i a l a m p u t e e su s i n gc o n v e n t i o n a lp r o s t h e s e se x h i b i th i g h e re n e r g ya sc o m p a r e dt oi n t a c t i n d i v i d u a l s ，a n dn o tc o n v e n i e n tt ow a l kf a s t t h em a i nc a u s ef o rt h ei n c r e a s ei n e n e r g yc o n s u m p t i o ni st h ei n a b i l i t yo f c o n v e n t i o n a lp r o s t h e s e st op r o v i d en e tp o s i t i v e w o r ka tt e r m i n a ls t a n c ei nw a l k i n g i no r d e rt os i m u l a t et h eb e h a v i o ro ft h eh u m a na n k l ea n di n c r e a s eg a i ts y m m e t r y a n dw a l k i n ge c o n o m y , ap r o s t h e t i ca n k l e f o o td e v i c es h o u l db ea b l et op r o v i d ep o w e r a n di n c r e a s eg a i tc o o r d i n a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o nc o n s t r u c t sp o w e r e da n k l ep r o s t h e s i s s y s t e m ，w h i c hc o n s i s t so ff o u rp a r t s ：a l la c t u a t o r , t r a n s m i s s i o n ，s e r i e ss p r i n g sa n da c a r b o nc o m p o s i t el e a fs p r i n gp r o s t h e t i cf o o t i tp r o v i d e sa d e q u a t ee n e r g yf o rf o r w a r d p r o g r e s s i o no ft h eb o d y , a n di m p l e m e n th u m a nn a t u r a lg a i t a tp r e s e n t ，t h ed e s i g n i d e ao fp o w e r e d p r o s t h e s i sh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e dt ot h ek n e e ，b u ti ti st h ef i r s t t i m et ob ea p p l i e dt ot h er e s e a r c ho ft h ea n k l e f i r s t ，t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h er e s e a r c hs t a t u so fp o w e r e dp r o s t h e s i s ，a s w e l la s t h ea n k l e f o o tw a l k i n gb i o m e c h a n i e s s e c o n d ，i ta n a l y z e sh u m a ng a i t c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ec o r r e s p o n d i n gr e l a t i o nb e t w e e nt h e m ，m a k e st h ep i e c e w i s e l i n e a r i z a t i o no fn o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dd e v e l o p sa c o m p r e h e n s i v ec o n t r o lt a r g e t o fp r o s t h e s i s t h i r d ，a c c o r d i n gt ot h ec o n t r o lt a r g e to fp r o s t h e s i s ，an e wt y p eo f s t r u c t u r em o d e li sb u i l t t h r o u g hs t e a d y - s t a t ea n dd y n a m i ca n a l y s i s ，t h ei n t r i n s i c m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mi se v a l u a t e da n dp a r a m e t e rc a l c u l a t i o na n d c o m p o n e n ts e l e c t i o no ft h ep r o s t h e t i cs t r u c t u r ea r ea c c o m p l i s h e d s o l i d w o r k si s a d o p t e di nt h es t r u c t u r ed e s i g n ，a n dt h i sd i s s e r t a t i o ne s t a b l i s h e sd s p h a r d w a r ec o n t r o l p l a t f o r ma n da n a l y z e st h ef e a s i b i l i t yo ft h em o d e l f i n a l l y , t h i sd i s s e r t a t i o nf u r t h e r p r o p o s e saf i n i t es t a t em a c h i n ec o n t r o ls t r a t e g yw h i c hc o n s i s t so ft h e6s u b s t a t e ，a n d s t u d i e so nt h es i m u l a t i o no fs t r u c t u r a li m p e d a n c em o d e lu n d e rt h es e l v oc o n t r o l l e r s t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tp o w e r e da n k l ep r o s t h e s i sb a s e do nt h ef i n i t e i i s t a t em a c h i n ec o n t r o l l e rn o to n l yi sa c c u r a t ea n dr e a l t i m e ，a p p r o x i m a t e l ys i m u l a t e s t h ep h a s ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o n t r o lt a r g e to fp r o s t h e s i s ，b u ta l s om a yp r o v i d e p o w e rf o rg a i tc y c l e o p t i m i z i n go nt h ep r o s t h e t i c s t r u c t u r ea n dc o n t r o lt a r g e t ， s e l e c r i n go fam o r er e a s o n a b l ee q u i l i b r i u ms t a t e ，a n dd e t a i l e dp l a n n i n g o ft h ef i n i t e s t a t em a c h i n ew o u l dd e c r e a s et h et r a c k i n ge r r o ro fa n k l ea n g l e i ns u m m a r y , t h e d e s i g nm e t h o do fp o w e r e da n k l ep r o s t h e s i sa n di t sc o n t r o ls t r a t e g ya l ef e a s i b l e ，a n d c a nb eu s e dt oc o n t r o lt h ew a l k i n gm o v e m e n t so fp o w e r e da n k l ep r o s t h e s i s e f f e c t i v e l y k e y w o r d s ：p o w e r e da n k l ep r o s t h e s i s ，s t r u c t u r em o d e l ，f i n i t es t a t em a c h i n e ， i m p e d a n c ec o n t r o l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：同期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名： 日期： 武汉理j ：入学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 长期以来，促进残疾人医疗福利事业的发展一直是各国政府非常关心的问 题，对此领域相关项目的研究一直受到民政部门和残疾人协会的高度重视。目 前不少大学和研究机构越来越关注这方面的研究。根据我国最近的调查报告显 示【l 圳，在采样调查的9 0 万截肢者中，至少有6 7 万人需要安装假肢，其中2 5 万 人急需安装。而在下肢假肢的安装中，约有7 5 为膝下假肢，2 5 为膝上假肢， 因此膝下假肢技术的探索是当今一大热点。 假肢的控制可采用被动、半主动、主动三种控制方式 4 1 。( 1 ) 被动式假肢采 用完全被动的气压或液压缸、弹簧等，耗能很小，能够实现的步态轨迹有限， 步态轨迹与机构特性( 如刚度、阻尼系数等) 直接相关，利用了重力及弹性碰 撞，可储能，但不便于快速行走；( 2 ) 半主动式假肢采用智能阻尼器，耗能比 较小，可储能，但不能实现任意步态轨迹，协调性不够；( 3 ) 主动式假肢由电 机驱动，耗能较大，可实现任意步态轨迹，轨迹与机构及驱动能量有关。生物 力学的研究显示1 5 - 6 】，人体脚踝是行走过程中重心转移的重要关节，是支撑并推 动身体前进的主要能量源。被动式假肢的佩戴者，经常被迫通过身体前倾来弥 补推进能力的不足。就性能而言，主动式假肢是终端需求的首选，较好地体现 了人腿的运动机理。 虽然研究主动式踝关节假肢具有潜在效益的，但实验研究、产品开发的重 点仍然是上肢设备。现在一般的踝关节假肢是完全被动的，其机械性能在不同 的步行速度和地形固定不变。实际上，在每一个步态周期和不同的步行速度， 正常人体踝关节阻抗大小是变化的【7 1 。此外也有一些研究的结果显示【8 - 9 1 ，人体 脚踝的一项主要职能是为身体前进提供足够的能量。因此为了模拟人体脚踝， 并增加步态的对称性和步行的经济性，假肢踝关节装置应能提供动力，并增加 步态的协调性。 目前正在开展新型主动式假肢的研究与开发工作，其目的和意义是要将智 能控制技术、微电子技术、计算机控制技术、机械设计与制造技术、生物医学 武汉理【人学硕七学位论文 工程与康复医学工程技术融合在一起，研究并丌发出新型主动式假肢，使膝下 截肢者能以极为接近证常人体自然步态行走，有助于使他们像正常人一样生活、 学习和工作。同时对减轻社会负担，填补我国在此研究领域的空白、促进我国 康复医学工程技术的发展起到一定的积极作用。 1 2 相关技术国内外研究现状 1 2 1 国外研究概况 近二十年来，日本和美国在下肢假肢研究上取得了巨大进展，将微电子技 术、计算机控制技术与生物医学工程技术融合在一起，相继研制出了智能型的 下肢假肢并已大量投入临床应用。 上世纪九十年代初期，国外研制的传统的被动式踝关节假肢存在的问题是： 被动式踝关节假肢的步行速度不能自然、随意地跟随截肢者步行速度的变化而 变化，截肢者只能以与假肢固定摆速相匹配的步速行走，过快或过慢都将导致 健康腿与假肢步行的对称性受到严重破坏，使截肢者更容易感觉疲劳。 为了解决上述问题，上世纪九十年代后期提出主动式踝关节假肢的理念， 由于不能完全解决假肢系统能耗过大的问题，相关的研究并不充分。不过主动 式踝关节假肢相比于传统的被动式踝关节假肢，已经明显地改善步态的协调性。 c o l l i n s 和k u o 提出了脚踝系统【l0 1 ，该系统在步态前期储存弹性能，然后在步态 后期释放能量，以减少对另一条腿的冲击。由于设备不包括执行器，无法有效 地弯曲踝关节。其他研究者【l l 】使用主动阻尼器或离合器调整关节角度来支撑截 肢者体重，根据负载大小实时调整阻尼度。市场上最先进的踝关节假肢源自冰 岛o s s u r 公司【12 1 ，在摆动相有一个电机调整被动弹性脚的方向。虽然电机在摆动 相工作，但在支撑相其踝关节上锁，没有对踝关节做功，相当于一个半主动式 踝关节假肢。b a l l a r d 利用平衡点假设( e q u i l i b r i u mp o i n th y p o t h e s e s ) 理论，使 用阻尼弹簧模拟骨骼肌在人行走过程中储存及释放能量的过程，从而完成对假 肢的控制【1 3 1 。h u g hh e r r 领导的生物机电小组通过研究人和动物的生物力学模 型，将其运动步态进行了分解和建模【】，利用划分的相位，首次将有限状态方 法引入到智能踝关节假肢的控制中【1 5 】。总之，国外对主动式踝关节假肢的研究 起步不久，尚处于发展阶段。 2 武汉理r ：人学硕十学位论文 虽然主动式踝关节假肢的研究没有得到显著进展，但主动式膝关节假肢的 研究开发却发展迅速。由冰岛o s s u r 公司和美国h a n g e ro r t h o p e d i cg r o u p 共同研 制的p o w e rk n e e l l 2 】获得了2 0 0 5 年1 1 月份的流行科学杂志评选出的年度最佳 发明奖。p o w e rk n e e 是世界上第一种主动式下肢假肢，其特点是人工智能控 制和伺服电机替代下肢的驱动功能。p o w e rk n e e 是直流电机驱动型假肢，可 以模拟人体膝关节的运动，使腿部截肢者保持流畅的步念移动。 现有的主动式假肢的性能优势主要体现在以下两个方面【l 乱1 7 】：( 1 ) 能量补 充：通过伺服电机的运动，当截肢者行走时可使下肢自然摆动，增加步态的协 调性；( 2 ) 相位调整：能够通过预测对下一步假肢步态相应的功能需要做出反 应，实时检测假肢运动信息来辨识高效步念模式。考虑到主动式膝关节可以显 著地改善截肢者的步态，本课题从理论分析、仿真研究和实验测试来验证主动 式踝关节假肢可实现性。 1 2 2 国内研究概况 我国在智能人工腿的研究方面起步较晚，目前还处于起步阶段，迄今为止 还没有商品化的产品问世。国内从上世纪八十年代初开始在下肢假肢的研究， 主要有清华大学、中南大学、东北大学和河北工业大学等，也取得了很好的成 果。清华大学精密仪器与机械学系的金德闻、张培玉等教授在这方面做了很多 开创性的工作。他们采用最优化方法设计了一种六连杆假肢膝关节【幅d 们，该膝 关节在支撑相保持稳定性的同时，在摆动相时膝关节和踝关节的运动轨迹，以 及大腿和小腿之间的角度变化关系相对于正常人都具有很好的逼近效果，能有 效改善截肢者的步态。而且清华大学在利用大腿肌肉的肌电信号识别不同路况 ( 包括上下坡道，上下楼梯) 方面取得了成功【2 0 1 ，从而为发展具有路况识别功 能的智能假肢打下基础。2 0 0 3 年中南大学谭冠政教授在国家自然科学基金的资 助下开始从事智能仿生人工腿的研究，并于2 0 0 5 年底研制出我国首例智能仿生 人工腿原型机c i p il e g 2 1 2 3 1 ，而踝关节仍采用被动式结构。但c l p il e g 主要是 控制气缸来调整膝关节的弯曲角度，而踝关节仍采用完全被动式的结构。东北 大学徐心和教授提出的异构双腿行走机器人【2 4 2 6 】，运用强化学习和有限状态控 制策略，很好的模拟了膝上截肢残疾人装配智能假肢的情形，其执行装置是m r 阻尼器。河北工业大学杨鹏教授领导的团队提取人体肌电信号特征值，将生物 信息转化为控制信息，使用高速d s p 对信号进行处理，控制智能假肢的运动1 2 7 】。 武汉理t 大学硕+ 学位论文 可以看出，国内还没有针对主动式踝关节假肢的研究。 我国假肢生产行业相关产业同欧美和同本相比整体上大约落后近二十年， 各大假肢生产厂家目前的主要产品仍然停留在如游动式定摩擦膝关节、带手动 锁定装置的膝关节、游动式负荷制动膝关节，单轴式、多轴式及固定式假脚等【3 】， 还没有企业能研制生产具有独立知识产权的智能下肢假肢产品。 综上所述，主动式踝关节假肢是一项兼具实用价值和理论挑战的研究。本 论文拟围绕结构优化和智能控制两个方面，从以下多个侧面展开研究以体现其 先进性：尺寸和重量与人体脚踝大致相当；储存和补充的能量足以推动人的步 伐；步态周期的不同相位提供可变刚度；摆动相的关节位置可控等。拟采用直 流伺服电机作为动作执行机构的，设计人体和假肢相结合的新型主动式踝关节 假肢控制方案，并对相关控制和应用基础进行深入研究。 1 3 本文的主要工作 根据对湖北省假肢厂调研可知，主动型踝关节假肢可利用仿人机器人研制 的突破性进展，使结构优化设计( 关节和灵巧机构) 与控制技术( 协调控制、 姿态步态规划和伺服控制) 移植到假肢的研制上。本文根据人体踝关节的性能 指标要求，在国内外最新假肢研究的基础上，设计了以直流伺服电机作为动作 执行机构、可步态辨识的主动式踝关节假肢控制方案，对假肢的结构模型进行 了仿真，分析了假肢结构的适用性和控制策略的可行性。本文主要研究假肢实 体结构和控制系统。 全文共分5 章，各章主要内容如下： 第1 章绪论。首先介绍课题背景及其研究意义。接着阐述本课题在国内外 的研究概况、水平和发展趋势，并提出主动式踝关节假肢的研究目标和设计思 路。 第2 章人体步态分析与假肢控制目标。本章中首先介绍在水平地面行走时 正常人体踝关节的生物力学，对步态进行细分，给出步态特征量间的对应关系， 再构建出明确的控制目标来模拟理想的踝关节特性。 第3 章假肢结构设计与分析。本章首先介绍假肢结构的性能指标，再设计 出系统的整体架构和结构模型，分析结构的动力模型，建立系统的数学模型。 然后通过稳态分析和动态分析，根据假肢要求的指标，完成结构的部件选型和 4 武汉理l = 人学硕十学位论文 参数计算，包括电机参数、传动比、加速度和弹簧刚度等。最后利用s o l i d w o r k s 结构设计软件完成样机结构的设计，建立假肢d s p 硬件控制平台，并进行可行 性分析。 第4 章假肢有限状态机控制器的设计。本章根据假肢控制目标，设计假肢 的有限状态机控制策略，并进行结构模型在伺服控制器作用下的仿真研究。主 要内容包括：一是有限状态控制的步态规划；二是设计子状态的伺服控制策略， 包括摆动相位置伺服控制和支撑相阻抗控制，并进行仿真结果的分析与评估， 验证有限状态机控制器对假肢的控制效果。 第5 章全文总结与展望。对全文进行总结，并在仿真研究的基础上，指出 存在的不足问题，并提出需要完善的方面，最后对主动式踝关节假肢的发展前 景进行展望。 武汉理一1 ：大学硕士学位论文 第2 章人体步态分析与假肢控制目标 尽管主动式假肢的研究与仿人机器人关节设计有共同之处，但是两者在结 构设计和控制理念上都有很大区别。当前仿人机器人的体型、体重、步速都和 正常人有较大差距。要按照人体脚踝的尺寸、重量设计出具有足够驱动能力的 假肢，仍然具有很大的挑战性。仿人机器人的行走过程，主要是按照预先规划 的动力学轨迹来控制关节运动【2 8 1 ，但是研究认为脚踝运动是一种阻抗控制模式 【2 9 l 。由于信息获取的局限，脚踝假肢系统缺乏明确的控制目标，更没有一个评 价控制效果的适当准则。因此主动式踝关节假肢需要通过人体步态分析，找出 假肢控制目标。 在本章中，首先了解j 下常行走时人体踝关节的生物力学，并详细说明了基 于人体踝关节生物力学的假肢设计指标，为主动式踝关节假肢的设计与控制打 下基础。再分析水平地面行走时正常人体踝关节的生物力学，对步态进行细分， 给出步态特征量问的对应关系。最后提出主动式踝关节假肢的设计思路，找出 明确的控制目标来模拟理想的踝关节特性。 2 1 踝关节步态分析 人体行走是一种由肌肉骨骼系统的相互作用来完成的高度协调的行为，研 究者已经深入探索了人体行走的相关原理，例如w i n t e r 详细分析人体步态运动 学和动力学【3 0 1 。其中人体踝关节在屈伸过程中，既有垂直面的摆动，又有水平 面的滑动。在假肢踝关节的实际设计中，通过对健康人体的踝关节步态进行分 析，得出踝关节瞬心曲线和正常步态特征( 如角位移、角速度、角加速度曲线， 地面反作用力，关节力矩等) ，作为假肢仿生设计的参考指标。可见步态分析是 假肢设计目标参数获取的重要途径。 本课题主要研究踝关节假肢在水平面行走时的运动特性，把人体踝关节模 拟为一个简单的机械部件，而不是复杂的生物力学模型，完成在垂直面的摆动。 这种功能模型简化了主动式踝关节假肢的设计与控制。 6 武汉理t 大学硕十学位论文 2 1 1 正常步态 水平面行走步态周期从一只脚的脚后跟着地到下次这只脚再次着地为止 1 7 1 3 。步态周期主要分为支撑相( 约占6 0 ) 和摆动相( 约占4 0 ) ，摆动相是 指步态周期中脚离开地面的相位，而支撑期是指从脚后跟着地到脚尖离地为止。 人体行走步态相位详细划分如图2 一l 所示。 l + 一支撑相_ l + 一摆动相叫i 脚跟着地脚底水平脚跟提起 脚尖离地 脚跟着地 i c p i c d l p p is wi l i i l i 图2 1 人体平地行走步态示意图 摆动相是从脚尖离地到脚跟着地，表示步态周期中脚离地的相位。摆动相 时，踝关节在脚跟着地前调整脚到一个理想的平衡位置。行走过程中支撑期又 可以分为三个子相位【9 】：跖屈控制相( c p ) 、背屈控制相( c d ) 和跖屈驱动相 ( p p ) 。下面就对支撑期的每个子阶段进行详细介绍。 跖屈控制相( c p ) 描述的是脚跟和脚底与地面接触的情况，即从脚跟着地 到脚底水平。研究表明，跖屈控制相时的踝关节近似满足力矩与位移成正比的 线性弹性关系。 背屈控制相( c d ) 是从脚底水平到脚跟提起。踝关节在背屈控制相的主要 功能是为下一相位提供向前和向上运动储存必要的弹性能量。同时，背屈控制 相时踝关节的力矩与位移成非线性关系。 跖屈驱动相( p p ) 是从脚跟提起到脚尖离地，释放踝关节在背屈控制相存 储的能量，同时力矩源为人体行走提供必要的力矩补充。在这个相位，踝关节 可以看成是力矩源和跖屈控制相“非线性弹簧”的并联作用。 水平面行走时，人体踝关节主要有三个方面的作用【3 2 】：( 1 ) 保证了c p 到 c d 时等效弹簧( 力矩与位移关系) 的刚度变化；( 2 ) 为跖屈驱动相时脚离地提 供必要的能量补充；( 3 ) 摆动相末期，踝关节调整到理想的平衡位置。 7 武汉理 ：人学硕十学位论文 2 1 2 步态特征 步行运动是人体和地面不断相互作用的过程。为了设计出符合人体讵常行 走步态的踝关节假肢，必需分析步行时踝关节的运动学和动力学，结合人体步 态特征及其相互关系，构造出假肢的控制目标。 设脚面与小腿垂直面的央角为踝关节角度值。图2 2 所示的是一个6 0 公斤 的人以设定速度1 2 m s 在平地行走时的典型踝关节力矩角度特性曲线【7 】【9 1 。实 线表示支撑相踝关节力矩转角特性，虚线表示摆动相踝关节特性。l 、2 、3 、4 点分别代表脚跟着地、脚底水平、脚跟提起和脚尖离地。1 2 、2 3 、3 4 、4 1 分 别表示c p 、c d 、p p 和s w 期间的力矩角度特性。1 2 、2 3 显示的是c p 和c d 之间不同的踝关节弹性特性。2 、3 、4 点组成的区域显示的是踝关节在一个周期 所做的功( 约为1 0 j ) 。 图2 2 踝关节力矩角度特征曲线 图2 3 所示的是一个6 0 公斤的人以设定速度1 2 m s 在平地行走时的典型踝 关节力矩角速度特性曲线【7 】【9 】。行走时正常人体踝关节可模拟为弹簧和力矩作用 的组合。 e z 撤 r 图2 3 踝关节力矩角速度特征曲线 武汉理+ i ：大学硕+ 学位论文 踝关节力矩在支撑相起调节脚尖触地、脚跟离地时间的作用。在整个支撑 相负责提供负力矩，使踝关节背屈角度增大。c p 期间，使足尖尽早触地：c d 期问，脚底受到地面的反作用力；p p 期间，起延长支撑相作用；s w 期问，相 当于小腿的前摆过程，踝关节力矩基本维持不变，使脚尖抬起，避免触地，这 样就完成了踝关节的一个步态周期。 2 2 假肢控制目标 关于主动式踝关节假肢的控制，首要问题是找到一个明确的控制目标来评 价假肢性能。假肢控制目标一方面表示出简化的控制对象，另一方面表征了特 征量的相互关系和控制效果的评价标准。为了跟踪人体正常行走的步态周期， 需要对踝关节的步态特征曲线作相应的简化处理，即将非线性特性近似线性化。 由图2 2 可以知，c p 相，踝关节满足力矩与位移成正比的线性弹性关系，曲线 的斜率近似不变，可以等效成直线特性；c d 相，踝关节的力矩与位移成非线性 关系，该段曲线可近似等效为斜率不同的两段直线，即非线性曲线分段线性化； p p 相也可等效为斜率不同的两段直线与力矩源的并联作用。 通过分析假肢的控制目标，既可以构造系统控制对象的数学模型，又可以 通过仿真判断控制的有效性。定义脚面与小腿垂直时( 踝关节角度值为0 。) ， 是假肢平衡状态。对于摆动相，只需要把踝关节调整到预定的平衡位置；对于 支撑相，控制系统响应要跟踪踝关节的力矩角度特性曲线。图2 - 4 是人体踝关 节的力矩角度特性曲线，近似简化后，再分解为弹簧和力矩源两部分组成【3 0 】， 提取出假肢控制目标。 力矩。 l a ，哆 二幺 角度 简化 c = = 力矩。 ai a r 垆 a 。 p 。1 角度 力矩 争k l 2 角度 k f p 彗 + 匕= = 十 图2 4 踝关节假肢控制目标 9 武汉理下大学硕士学位论文 通过弹簧组中两级弹簧组配合工作，模拟人体踝关节阻抗k ；变化。当踝关 节角度为正时，阻抗值为如；当踝关节角度为负时，阻抗值为k c p 。 髟= 乏篡 协， 直流伺服电机补偿力矩常量f 加载到弹簧组上。 a w ：a t ( 止+ a r1 ( 2 2 ) k c dk c p 式中，是系统力矩补偿时的力矩值，r , h 是力矩补偿时的关节角度， f b 是力矩补偿结束时的关节角度。通过方程( 2 2 ) 可以计算出电机总共 输出的能量。 2 - 3 。本章小结 正常人体踝关节力矩角度特征由非线性环节( 阻抗作用) 和力矩源( 提供 支撑相后期所需的能量) 组成。传统的被动式踝关节假肢没有力矩源，实现的 步态轨迹仅类似于假肢结构( 弹簧、气缸或阻尼器) 的外部特性，由于缺少外 部力矩源，就会造成了行走姿态与正常步态的差异，而且截肢者在行走时容易 产生疲劳。 为了克服传统被动式踝关节假肢的不足，详细分析正常人体行走时踝关节 的步态特征曲线，找出踝关节假肢的控制目标。关节力矩角度非线性特征分段 线性化，同时在步态周期的p p 阶段引入力矩源，补充行走时所需的能量。这样 近似拟和了正常人体行走时踝关节的力矩角度特性，增加截肢者步态的协调性 和步行的经济性。 l o 武汉理：r 人学硕十学位论文 第3 章假肢结构设计与分析 对于一个系统能否达到预期效果，关键取决于模型的可行性和控制器的作 用效果。本章首先设计主动式踝关节假肢的整体机械结构，再按照人体踝关节 性能指标的要求，通过m a t l a b 仿真，分析结构参数和选择合适的系统单元，最 后分析主动式踝关节假肢模型的可行性。 3 1 设计性能指标 根据人体踝关节运动的生物力学，假肢的设计要求概括如下： ( 1 ) 假肢的重量和大小合适。按照中国成年人人体尺寸标型3 3 】，身高1 7 0 c m 、 体重6 0 k g 成年人的小腿加足高约为4 5 c m 。考虑到平均小腿截肢长度和假肢接受 腔长度1 3 4 】，设计的假肢机械结构高度约为2 5 c m ，重量约为2 k g 。在实际应用中 需要根据下肢截肢部位的不同，选择理想的假肢。 ( 2 ) 系统具有很大的瞬时输出能量和力矩【8 】。人体在正常行走的过程中， 踝关节的最大转速、力矩和功率分别为5 2 r a d s ，1 2 0 n m ，2 2 0 w 。 ( 3 ) 系统具有改变结构阻抗的能力。 ( 4 ) 系统可以在支撑相和摆动相控制关节位置。水平地面行走时人体踝关 节正常活动范卧3 5 】为背屈1 0 。，跖屈1 4 。，总共约为2 4 。踝关节最大跖屈发 生在行走时脚尖离地的瞬间，最大背屈发生在支撑相的c d 阶段。 综合考虑人体正常步速下的踝关节性能指标，主动式踝关节假肢的设计指 标如表3 1 所示。 表3 1 设计指标 武汉理。r 大学硕十学位论文 3 2 假肢结构的整体架构 虽然设计匹配j 下常假肢尺寸及重量的踝关节假肢具有一定挑战性，但是主 。动式踝关节假肢主要是为跖屈和背屈提供足够大的瞬时输出功率和力矩，增加 截肢者步态的对称性和步行的经济性。确定假肢控制目标，用电机驱动和齿轮 传动来驱动假肢，足以解决这些结构设计上的难题。 3 2 1 驱动和传动方案优化 驱动和传动方案的选择主要从重量、体积和性能等方面考虑是否满足假肢 的应用要求。为了使假肢具有一定的实用性，应具有高可靠性和低功耗，为此， 需要对假肢的电机及其传动方案进行精心的选择和优化设计。 电机类型的选择【3 6 1 ，先比较分析直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机 几种。由于步进电机转速一般不高( 3 0 0 - - 6 0 0 r m i n ) ，这样就导致速比较小，因 而输出的力矩也不是很大。直流伺服电机和交流伺服电机基本上都能满足输出 力矩的要求。但交流伺服电机的体积重量都比较大，而且主动式踝关节假肢在 临床测试时需采用蓄电池供电，交流电机需要专门的d c a c 变流器，控制比较 复杂，因此采用直流伺服电机。直流伺服电动机具有良好的线性特性，启动转 矩较大，调速范围宽，效率高，控制特性好的特点。常常被用于中小功率系统 中，只需对电枢回路进行控制，电子控制电路相对简单，控制算法简单，从而 减小电机伺服控制器的体积和质量，促进控制电路与假肢的融合，提高假肢整 体协调控制系统的实时性。然而永磁式直流伺服电动机的换向电刷磨损造成使 用寿命较无刷直流伺服电机短，换向过程不良会引起换向火花。考虑到假肢所 需的高可靠性和低功耗，假肢系统拟采用直流无刷伺服电机作为驱动源。 传动机构是直流电机与执行机构之间的一个连接装置，用来进行运动变换 和力矩传递。在伺服系统中，直流电机输出旋转的运动和力矩，而执行机构则 多为直线运动。用于将旋转运动转换成直线运动的传动机构主要有齿轮齿条和 丝杠等。前者可获得较大的传动比和较高的传动效率( 9 6 9 8 ) ，所能传递的力 也较大，但高精度的齿轮齿条制造困难，且为消除传动间隙而结构复杂；后者 结构简单，但安装比较困难。考虑到假肢结构设计的难易程度，假肢测试平台 采用伞齿传动方案将电机的旋转运动转化为弹簧组的直线运动，至于伞齿在传 1 2 武汉理：l ：人学硕+ 学位论文 动中的误差，可以在控制系统中加入误差补偿。 用弹簧储能和用齿轮传动是假肢结构中最直观的设计思路。其性能优化有 一个基本约束条件：整个结构的外形、尺寸、重量必须与人体踝关节基本相当。 弹簧刚度系数的计算需要兼顾踩关节的生物力学特性以及储能的需要，为避免 优化目标问的冲突，拟设计侧重不同目标的多个弹簧组。采用齿轮来模拟关节 旋转存在尺寸偏大的问题，有必要将电机减速和直角传动等功能统筹考虑，简 化结构的同时尽量提高输出力矩。临床测试假肢的电能由蓄电池供给，同时控 制系统要对踝关节的运动进行力矩和角度控制。综合以上考虑，主动式踝关节 假肢采用直流伺服电机、减速机及伞齿的驱动和传动方案。 3 2 2 控制目标的结构模型 设计大小和重量合适的假肢关节，既能提高人体在行走时所需的瞬时功率， 又要能满足关节的输出力矩要求。传统的关节假肢设计方法都采用汽缸和阻尼 器的结构【3 【3 8 1 ，考虑到踝关节的运动特征和地面的反作用力，一方面传统的设 计方法不能提供充足的瞬间功率输出，另一方面地面的反作用力大，着力点分 布不均匀p 引，结构必须有一定的耐冲击性。 主动式踝关节假肢结构主要包括直流伺服电机、传动装置、弹簧组和碳纤 维弹性脚板。直流伺服电机、传动装置和弹簧组模拟人的踝关节，既改变踝关 节弯曲角度，又为身体前进提供足够的能量。同时碳纤维弹性脚板起到了人脚 的作用。在踝关节假肢中，直流电 机经过传动装置连接到弹簧组上， 通过控制电机的转速来调整弹簧组 的伸缩。同时使用正交编码器测量 出踝关节在采样时间转过的角度， 使用线性电位器测量弹簧组的位移 得到实际负荷的力矩大小。碳纤维 弹性脚板在人体行走时起到减振的 作用，在支撑相的前期储存能量， 在支撑相的后期释放能量。新型主 动式踝关节假肢结构如图3 1 所示。 弹性脚板 图3 1 新型主动式踝关节假肢结构图 武汉理一 人学硕十学位论文 主动式踝关节假肢具有低阻抗的优点，电机和碳纤维弹性脚板的隔离作用， 使得重力冲击、力矩波动和摩擦力的影响都可以通过弹簧组得到有效补偿。假 肢包含输出力可控的执行器，可以控制最大输出力矩，在位置控制系统中比直 接传动系统更适合应用于康复医学工程。现有的直流无刷伺服电机基本可以满 足踝关节模拟系统的输出指标，但机械变送器长期承受截肢者体重的冲击，容 易损坏，因此要优化系统的传动装置，使其更加合理、有效。 3 3 系统数学模型 线性系统模型可以模拟假肢的分段线性特 性，模型参考了标准的s e a t 4 0 j ，系统模型如图 3 2 所示。直流伺服电机作为一个转动惯量l 的 力矩源l ，通过传动比尺把力传动到弹性系数为 七。的弹簧组上；阻尼见代表作用在电动机上轴 承的摩擦力；x 和秒分别表示弹簧组的线性位移 和踝关节假肢的角位移。 在这个模型中，假设脚面是一个刚体，相对 于电动机的转动惯量，脚面的惯量可以忽略不 计。然后可以得到r o = 幔，式中，和，分别是 指作用于踝关节假肢弹簧组的力矩和力臂。该模 型忽略了放大器饱和、非线性摩擦、内部共振和 其他的复杂因素的影响。 把转动模型简化为平动模型，如图3 3 所示。 m ，、e 和c 分别表示等效质量、阻尼和作用力。 不考虑传动机构的损耗，设假肢结构的工作 机构转轴的角速度为q ；直流伺服电动机轴的角 速度为q ：假肢结构的工作机构的实际负载力矩 为l ；假肢结构的工作机构负载力矩折算到电动 图3 2 假肢结构转动模型 图3 - 3 假肢结构平动模型 机轴上的折算值为石；传动机构总的速比倒数七= 九n ，。所以折算前的机械功 率为乙g ，折算后的机械功率为五q ，由乙q = r , q 可得： 1 4 武汉理一i ：人学硕十学位论文 五：癸：盈：圾 ( 3 - 1 ) q绝 “ 设，为最后级转动工作机构的转动惯性半径，令r ：兰，因此： c ：互：生乙：尺乙 ( 3 2 ) 设假肢结构的工作机构负载转动惯量折算到电动机轴上的折算值为，l ，根据 折算前后假肢转动轴动能不变的原则，有： 圭l ( 鲁卜互11 6 u ( 2 j r n l 1 2 ( 3 3 ) 因此= 七2 l ，由转动惯量的定义有= m 。，2 = 足2 l ，因此： m 。= ( 鱼) 2 l = i m r 2 ( 3 4 ) 等效质量、阻尼和作用力的表达式为：m e = l r 2 、 因此假肢结构的工作机构的运动方程变为： 群乏竺 同时假肢关节的输出力矩瓦= 幔。 3 4 模型分析 见= 吃尺、c = 乙尺。 ( 3 5 ) 本节通过稳态和动态分析来设计主动式踝关节假肢。分析的重点在于使得 结构设计满足3 1 节指定的踝关节假肢力矩速度特性和力矩带宽要求。稳态分 析计算出假肢的最大力矩速度特性，而通过动态分析选择假肢结构的元件( 如 弹簧组等) ，以使结构输出加速度最大化并且满足力矩带宽要求。 3 4 1 设计步骤 假肢结构的部件选型和参数计算可分为以下3 步来完成： ( 1 ) 选择个满足假肢输出力