下肢假肢不仅能够恢复下肢截肢患者受损的行动能力,而且能够一定程度地恢复下肢截肢患者的仪态,是下肢截肢患者的重要辅助工具。假肢膝关节是下肢假肢的关键部件,可以模拟健康人膝关节的转动。在下肢假肢采用的假肢膝关节中,磁流变假肢膝关节(Magnetorheological damper based prosthetic knee,MRPK)利用磁流变液的可控可逆的屈服应力,可以实现对下肢假肢运动姿态的控制,具有能耗低和反应快等优点,受到越来越多学者与机构的关注。尽管MRPK的研究取得了长足的进步,但依然存在明显问题:1)MRPK多采用流动模式的磁流变阻尼器,其不可控阻尼力较大;2)MRPK的控制方法没有考虑磁流变阻尼器的迟滞效应对下肢假肢运动姿态的影响;3)MRPK的运动控制主要采用轨迹跟踪控制方法控制膝关节摆动角度,使MRPK的膝关节摆动角度跟随固定的参考角度曲线。这种方式无法在线调整参考角度曲线,对环境变化的适应能力不强,限制了MRPK的进一步实用化。为解决上述问题,本文结合双连杆机构和双出杆结构的磁流变阻尼器,提出并开发了一种基于双出杆结构的磁流变阻尼器的单轴MRPK。基于开发的MRPK实现了磁流变下肢假肢(Magnetorheological damper based lower limb prosthesis,MRLLP),并建立了MRLLP的动力学模型和联合仿真模型。利用建立的MRLLP的联合仿真模型分析了磁流变阻尼器的迟滞效应对MRLLP的小腿摆动角度的影响。在此基础上,为了抑制磁流变阻尼器的迟滞特性对下肢假肢运动姿态的影响,基于滑模控制方法提出并实现了一种MRPK的轨迹跟踪控制方法。基于不变集理论,提出了一种具有非对称时间比例的Cardioid振荡器,并基于Cardioid振荡器建立了人体下肢运动的中枢模式发生器(Central pattern generator,CPG)模型,用于模拟人体行走时下肢的摆动。采用基于Cardioid振荡器的CPG(Cardioid oscillator based CPG,COCPG)模型,实现了MRPK的基于COCPG模型的模型参考控制方法。本文的主要研究工作和创新点可以归纳为以下方面:1.提出并开发了一种基于双出杆结构的磁流变阻尼器的单轴MRPK。采用提出的MRPK,开发了一种MRLLP,包括MRPK原型样机、小腿假肢部件、假脚部件和角度传感器。在此基础上,建立了MRLLP的动力学模型,并在刚体动力学仿真软件ADAMS中建立了MRLLP的虚拟样机。利用建立的虚拟样机仿真分析了MRLLP水平行走时磁流变阻尼器的期望阻尼力,并实验测试了开发的磁流变阻尼器的阻尼力。2.提出了抑制集成的磁流变阻尼器的迟滞效应的MRLLP的滑模跟踪控制(Sliding mode tracking control,SMTC)方法。在ADAMS和Simulink中建立了下肢假肢的联合仿真模型,并利用联合仿真模型仿真分析了磁流变阻尼器的迟滞效应对MRLLP的小腿摆动角度的影响。在此基础上,利用滑模控制方法对未知干扰的鲁棒性,提出MRLLP的SMTC方法抑制磁流变阻尼器的迟滞效应对MRLLP的小腿摆动角度的影响。采用联合仿真模型分析了SMTC方法对迟滞效应的抑制效果和对随机干扰的鲁棒性。3.提出并实现了一种模拟具有非对称时间比例的振荡过程的Cardioid振荡器,以及模拟人体下肢运动的基于Cardioid振荡器的CPG(Cardioid oscillator based central pattern generator,COCPG)模型。通过数值仿真讨论了Cardioid振荡器的非对称性、收敛性、抗干扰性和相位锁定特性,并讨论分析了COCPG模型输出的频率、振幅和偏移量。为了验证COCPG模型的准确性,通过实验对比COCPG模型的输出轨迹与实测的人体下肢运动轨迹。4.提出了一种使MRLLP更自然地模拟健康人行走时小腿摆动姿态和提高MRLLP对环境干扰的适应性的基于COCPG模型的模型参考控制(COCPG based model reference control,COCPGMRC)方法。在此基础上,利用联合仿真模型分析COCPGMRC方法对MRLLP的小腿摆动的控制效果,以及COCPGMRC方法对干扰的抑制能力。5.基于实时仿真系统建立了MRLLP系统的快速控制原型系统,并建立了基于大腿仿真器的膝上假肢测试系统(Leg simulator based test system for the lower limb prosthesis,LSTSLLP)和穿戴行走测试系统。采用建立的LSTSLLP和穿戴行走测试系统,测试分析了SMTC和COCPGMRC方法对MRLLP的小腿摆动的控制效果,并对比了CT+PD和开/关控制方法对MRLLP的小腿摆动的控制效果。本文的研究工作对MRPK的研究与开发具有重要的意义。
