膝-踝-趾动力型下肢假肢运动解耦及柔顺控制策略研究

The compliant control of active transfemoral prostheses attracts increasing interests in the research community. Though the mechanical structure of knee-ankle-toe transfemoral prostheses can increase flexibility, the multi-degree-of-freedom motion coupling is seriously affects flexibility. This project carries out motion decoupling and compliance control for multi-degree-of-freedom motion coupling and hybrid system characteristics. The main contents are as follows: Firstly, based on kinetic characteristic a gait cycle is divided into three modes, and dynamics of each mode is established by Lie Groups and Lie Algebras which provides a highly efficient and low-order reference model for motion decoupling. Secondly, decoupling control is studied based on RNN, which reduces the multi-degree-of-freedom motion coupling. Lastly, Multi-mode switch control strategy of knee-ankle-toe active transfemoral prostheses is studied based on switching system theory, and compliance control is eatablished. The research of this project will not only enhance theoretical value in the active transfemoral prostheses, but also provide a favorable theoretical basis and technical support for the development of auxiliary walking equipments and exoskeleton devices.

动力型下肢假肢的柔顺控制已成为假肢领域的研究热点。膝-踝-趾多关节动力型下肢假肢机构能够提高假肢灵活性，但是其多自由度运动耦合问题严重影响假肢柔顺性。本项目针对膝-踝-趾动力型下肢假肢多关节耦合问题及混杂系统特性开展运动解耦及柔顺控制策略研究。主要研究内容包括：1.根据膝-踝-趾三关节运动特性将一个完整步态划分为三个模态，基于李群李代数的方法建立不同模态膝-踝-趾动力学模型，为运动解耦提供高效低阶的参考模型；2.研究基于RNN神经网络模型参考的解耦控制器，减小各关节运动控制耦合度；3.基于切换系统理论研究膝-踝-趾动力型下肢假肢混杂系统的多模态切换控制策略，实现各模态之间柔顺切换控制。本项目不仅为动力型下肢假肢控制提供了必要的理论基础，同时也为助行设备和下肢外骨骼装置控制提供了有利的理论依据和技术支持。

高性能动力型假肢能够为穿戴者提供有效助力，减少穿戴者能量消耗，增加行走的安全性。目前动力型下肢假肢均为单关节或两关节，未涉及趾关节研究，因此限制了假肢运动的灵活性。针对此问题，本项目提出膝-踝-趾动力型下肢假肢多关节运动解耦及柔顺控制策略研究，所取得的主要研究成果如下：. 1、设计了人体下肢运动信息采集与分析方案。利用VICON采集正常人平地行走下肢膝关节、踝关节、趾关节的关节角度，利用AMTI测力板采集足底压力信息，根据步态特征和足底压力信息将人体的步态划分为三个模态，摆动期(SP)、支撑前中期(E&MSP)和支撑末期(LSP)。. 2、搭建了三种模态运动学与动力学数学模型。基于群论和螺旋运动理论的李群李代数方法建立了膝-踝-趾动力型下肢假肢的运动学模型；基于系统能量角度分析的Lagrange方法建立了膝-踝-趾动力型下肢假肢的动力学模型。. 3、基于状态反馈法搭建了两自由度假肢系统的积分型解耦器，基于控制法则分解法搭建了三自由度假肢系统解耦器，对假肢进行解耦，从而简化了动力学模型，提高系统的控制精度。. 4、研究了基于平均驻留时间的切换控制方法，将不同模态看作不同的子系统，分别设计子系统控制器，将切换控制理论应用到下肢假肢步态切换过程中，分析了步态发生稳定切换条件，设计满足平均驻留时间的步态切换系统。. 本项目的研究为多关节运动解耦及多模态间柔顺切换控制提供研究思路，尤其对多关节动力型外骨骼和机器人具有重要的理论价值和实际意义。