基于肌电信号控制的膝上假肢设计

论文摘要

从古至今,由于战争、疾病、工伤、交通事故及意外伤害已将成百上千万下肢截肢者带给了我们这个社会,特别是近年来,随着工业、交通事业的迅速发展,这一数字正以惊人的速度增加。同时由于人们生活水平的提高,患者对假肢的要求也不断的提高。他们不再满足假肢的可行走功能,还要求假肢的美观和功能代偿性。我国假肢大部分是传统型产品,重量大,性能差,标准化程度低,与世界先进水平还有很大差距。赶超世界先进水平,提高残疾人的生活质量大力开发现代假肢产品,也是当前的一项重要工作。本文基于下假肢截肢患者的要求,设计了一个由肌电信号控制的六杆膝上假肢系统。本文共分三部分。在第一部分中,本文论述了六杆机构的瞬停节传递性及其保持下假肢系统稳定的优越性。另外,研究表明六杆机构比四杆机构更能模拟正常人的步态。在一个步态周期内,六杆机构使踝关节均方误差达到1.01%,膝关节的均方误差达到1.39%。本文还通过分析六杆机构间的几何关系,利用混合罚函数法计算出了六杆机构各参数的具体数据,对六杆机构进行了运动学与动力学分析,最后利用Pro/ENGINEER对其运动可行性,干涉情况进行了仿真分析与检测。在第二部分中,本文提出了肌电信号控制方法,它可使受试者自如的控制膝上假肢系统,避免了手动控制的尴尬。并对6个身体健康的受试者在不同的运动状态下(坐、站、走)的股四头肌信号进行了分析,发现股四头肌的信号变化在小腿的屈曲过程中存在一定的规律性,这为利用肌电信号特征控制下假肢系统的不同运动奠定了基础。最后,本文介绍了电机的选择参数,阐述了H桥LMD18200的工作原理,调速功能,并设计了适合本课题的LMD18200的电路图。另外,本文还介绍了用于控制电机的单片机AT89C2051的特征,引脚结构,并设计了AT89C2051的电路连接方式。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 膝上假肢的发展历程
• 1.1.1 膝关节的构造
• 1.1.2 膝关节力矩控制方式
• 1.1.3 材料的选用和典型产品
• 1.1.4 假肢控制的信息源
• 1.2 肌电信号及其在下肢假肢中的应用
• 1.2.1 肌电控制假肢的原理和特点
• 1.2.2 肌电下肢假肢的发展状况
• 1.2.3 肌电信号控制方法
• 1.3 本文研究意义及内容
• 第二章 膝关节机构设计
• 2.1 引言
• 2.1.1 膝关节介绍
• 2.1.2 膝关节设计要求
• 2.2 步态分析及其在膝关节设计中的应用
• 2.2.1 步态分析
• 2.2.2 人体步态过程及对应的关节转角
• 2.2.3 膝关节的瞬心变化
• 2.2.4 确定膝关节设计方案
• 2.3 机构瞬停节传递及应用
• 2.3.1 Stephenson型六杆机构瞬停节分析
• 2.3.2 瞬停节传递对于设计自锁机构的意义
• 2.3.3 利用瞬停节传递设计具有自锁功能的假肢膝关节机构
• 2.4 六杆膝关节机构设计
• 2.4.1 六杆机构的选择
• 2.4.2 六杆机构膝关节优化的一般过程
• 2.4.3 六杆机构膝关节优化设计原则
• 2.4.4 六杆机构膝关节优化目标函数
• 2.4.5 六杆机构膝关节优化设计变量
• 2.4.6 六杆机构膝关节优化约束条件
• 2.4.7 优化方法的选择
• 2.5 本章小结
• 第三章 膝关节运动学与动力学分析
• 3.1 引言
• 3.2 人体下肢运动的参数化描述方法
• 3.3 运动学分析
• 3.3.1 位置分析
• 3.3.2 速度分析
• 3.3.3 加速度分析
• 3.3.4 踝关节运动分析及仿真
• 3.3.5 膝关节形心运动分析与仿真
• 3.4 膝关节动力学分析
• 3.4.1 点与点之间,点与线之间距离计算
• 3.4.2 控制轴力矩分析
• 3.5 强度校核
• 3.6 本章小结
• 第四章 肌电信号的采集与分析
• 4.1 肌电信号的产生机理
• 4.2 肌电信号的特征
• 4.3 下肢肌肉骨骼模型
• 4.4 肌电的采集
• 4.4.1 表面电极
• 4.4.2 放大器选取
• 4.4.3 肌肉电信号采集电路
• 4.5 肌电信号分析
• 4.5.1 时域分析
• 4.5.2 频域分析
• 4.5.3 实验目的
• 4.5.4 信号分析与结果
• 4.6 本章小结
• 第五章 控制系统设计
• 5.1 电机
• 5.1.1 步进电机的分类
• 5.1.2 步进电机的结构及控制
• 5.1.3 控制力矩的实现
• 5.2 H桥功放电路驱动原理
• 5.2.1 驱动芯片LMD18200
• 5.2.2 性能指标及应用
• 5.2.3 内部结构和引脚说明
• 5.2.4 LMD18200工作原理
• 5.3 DSP控制
• 5.3.1 DSP简介
• 5.3.2 TMS320LF240x系列DSP控制器
• 5.3.3 SZ-2407E板
• 5.4 肌电信号控制假肢框图
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结及发展趋势
• 6.1 总结
• 6.2 发展趋势
• 参考文献
• 致谢