一種智能仿生人工腿的設計及性能仿真研究.pdf

1、智能仿生人工腿將智能控制理論、微電子技術、機械設計與制造技術以及生物醫(yī)學工程等融合在一起，是機器人學和生物醫(yī)學工程領域一個備受關注的研究課題。而采用虛擬樣機技術進行人工腿的性能仿真和設計優(yōu)化研究，則是智能仿生人工腿研究的重要發(fā)展方向。 以前所開展的智能人工腿相關研究存在以下三方面不足：第一，沒有建立完整的人工腿流體控制裝置模型，只能通過長期的臨床試驗來確定人工腿步行速度與電機控制之間的關系；第二，世界上現(xiàn)有的人工腿虛擬樣機模型過

2、于簡單，性能仿真評估結果的可信度較低；第三，目前還無人做過智能仿生人工腿的性能仿真研究。 針對以上不足，我們提出了一種全新的智能仿生人工腿性能仿真體系，并將其用于我們研制的國內首臺智能仿生人工腿CIP-I Leg的性能仿真和參數優(yōu)化設計中。本文首先對國內外智能人工腿的總體研究狀況及基本理論作了一些介紹，在此基礎上，對CIP-I Leg的重要組成部分及步速調節(jié)系統(tǒng)進行了設計研究。CIP-I Leg是一款氣壓控制單軸膝關節(jié)型智能仿生

3、人工腿，靠安放在其內部的一新型二級伸縮氣缸的伸縮來實現(xiàn)自由擺動。氣缸尾部的電機可以控制氣缸內一個針閥的開度，通過改變針閥開度可以調節(jié)膝關節(jié)彎曲和伸展的阻尼，從而達到改變CIP-I Leg擺動速度的目的。依照新的設計仿真體系，本文利用流體力學基本原理建立了氣缸的氣體動力學模型，并將該模型與擺動相期間人體下肢的數學模型聯(lián)立起來，推導出了針閥開度與氣壓阻尼力之間的對應關系。通過在MATALB環(huán)境下建立的交互式仿真平臺，可以判斷該氣缸能為人工腿

4、擺動相的精確控制提供合適的動力。在虛擬樣機的性能仿真部分，本文把在SolidWorks中完成的CIP-ILeg和人體下肢殘肢的三維模型導入到ADAMS中，并添加相關約束以建立完整的樣機模型。最終，在0.75m／s步行速度下對CIP-I Leg的樣機模型進行了參數化仿真分析。 參照現(xiàn)有的人工腿性能評判標準，結果表明CIP-I Leg在擺動相期間具有良好的運動學和動力學性能，而且該虛擬樣機模型能實現(xiàn)CIP-I Leg的性能仿真評估。