面向智能假肢的生物机电系统建模与控制方法

近年来，医、工学科的结合为下肢残疾患者的肢体功能补偿开辟了新的技术途径。通过肌电信号控制智能假肢，可以解决传统假肢控制的不自然、易疲劳等问题。本课题将研究智能假肢机器人的生物-机电系统建模、多通道表面肌电信号-下肢运动模式建模、表面肌电、下肢关节生物力学建模等关键技术，完善助残康复机器人的生物-机电系统分析及建模理论，建立多通道表面肌电信号-下肢关节生物力学模型，从而建立多通道表面肌电-上肢多关节复合运动模式间的非线性映射模型。本研究将为助残康复机器人系统的设计和应用提供理论和技术支撑，具有重要的现实意义。

通过多信道采集人体行走过程中下肢股直肌、股二头肌、腓肠肌、胫前肌处的表面肌电信号；通过动作捕获系统获取了下肢运动过程中关节角度变化、力矩、关节功率以及足底力的大小，通过数据之间的关系判断得到假肢膝关节的步态相位和具体运动位置，并由此获得下肢步态周期规律。利用肌电信号分析相关肌肉活动情况，对起立、行走和上下楼梯等最常见的日常下肢动作进行对照分析，得到不同的下肢动作模式对应不同的肌肉兴奋时间和兴奋程度的对应关系。分别使用时域、频域、功率谱比值法及根据小波变换的多分辨分析思想，利用离散小波变换对原始肌电信号进行多尺度分解，获得相应肌电信号特征量；从BP神经网络、Elman神经网络入手，对表面肌电信号进行模式识别。提出了基于小波变换的三种特征值融合的方法，解决了单一特征值表征能力较差的问题。通过分析人体腿部的解剖结构，根据人体腿部形态学模型的重建流程，分别对CT 图像的预处理、人体腿部三维形态学模型的重建方法及模型的简化算法进行了相应研究。从人体步态试验得到的膝关节角度实验数据入手，通过曲线拟合，建立了膝关节的运动数学模型，得到了下肢膝关节的运动函数曲线，由此可以通过下肢步态相位判断方法获得下肢的步态相位，实现假肢膝关节的控制。最后设计了假肢膝关节的模型样机，搭建了实验系统，通过人体步态采集实验对假肢膝关节的机械结构、步态识别、步态规划和控制方法进行了充分的实验分析研究。