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主动式踝关节假肢运动实现与步态信息获取的研究

刘洋  
【摘要】: 随着社会发展和技术进步,残疾患者对克服生理障碍,提高生活质量的要求日益迫切。对于膝下截肢患者而言,传统的踝关节假肢在行走舒适度和步态美观性上的不足给他们的生活带来了困扰。为了克服传统踝关节假肢的不足,进行主动式踝关节假肢的研究,开发出能让膝下截肢者像正常人一样行走的、真正意义上的智能下肢假肢。通过该假肢的应用,对帮助残疾患者重新回归社会主流、像正常人一样生活、学习和工作,同时促进我国康复医学工程技术的发展都有重要的意义。 目前国内外的一些机构已经开展了下肢假肢的相关研究,并且推出了不少性能优良的产品。但是通过调研发现这些成果多集中在对膝关节功能的恢复,对踝关节的研究相对较少。本文开展主动式踝关节假肢(以下称假肢)的运动实现与步态信息获取的研究,是在课题组设计的仿生踝关节机构的基础上,通过对驱动单元的设计及控制,实现假肢的简单步态循环并对假肢的智能控制做出可行性研究。在实现假肢运动的同时,对假肢的步态信息进行采集、传输并在上位机显示,这样可以通过与人体正常运动数据的比较对假肢做出评价及改进。 围绕以上研究目标,结合课题进展,本文主要完成以下3个方面的工作: 1.对人体踝关节的运动特征进行描述,分析传统踝关节假肢步态差异性的原因并对其进行改进,构建主动式踝关节假肢运动实现的方案; 2.设计假肢运动单元的硬件和软件。在控制软件的设计中,首先实现假肢的简单步态循环,在此基础上提出假肢运动的迭代学习智能控制方法; 3.设计上位机获取假肢步态信息的方案。通过选型传感器采集步态数据,经由USB2.0接口完成向上位机的传输,并最终在上位机显示。其中重点论述USB模块硬件设计以及USB设备端固件程序设计。 通过以上工作的开展,已经实现主动式踝关节假肢的简单步态循环,证实迭代学习方法在假肢控制系统应用的可行性。同时,完成了步态信息采集系统下位机的硬软件设计工作,这些都为下一步工作的展开打下良好的基础。


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