基于时延估计的动力型下肢假肢分段控制策略研究.docx

【基于时延估计的动力型下肢假肢分段控制策略研究】 随着人口老龄化及各种原因导致的膝上截肢人数增加，高性能的动力型下肢假肢成为改善残疾人生活质量的重要工具。传统的无动力假肢使穿戴者步态不对称，能量消耗增加。相比之下，动力型假肢能显著提高活动能力。近年来，研究焦点集中在动力型假肢的动力学系统建模、多关节协调控制以及柔顺控制等方面。 分段控制策略在动力型下肢假肢中广泛应用。在摆动相，通过滑模控制技术实现关节位置准确追踪，确保假肢在空中移动时的稳定。而在支撑相，利用阻抗控制保证假肢与地面接触时的舒适性和安全性。主动型踝关节的阻抗控制方案利用动力学方程计算控制力矩，但这种方法对精确的动力学模型和外部扰动敏感。 时延估计（TDE）作为一种有效的方法，可估计并补偿动力学模型中的非线性和不确定性，增强系统对干扰和建模误差的鲁棒性。然而，TDE的精度受到采样时间和频率影响，存在一定的误差。为了解决这个问题，一些研究中引入滑模控制来补偿估计误差，提高系统的稳定性。此外，时间延迟估计的滑模阻抗控制方法也被提出，能抵抗不确定干扰，确保穿戴者的舒适性。 本文提出了一种结合时延估计的分段控制策略。在摆动相，利用TDE简化动力学计算，滑模控制器补偿估计误差，提升控制精度，减少跟踪误差。在支撑相，结合目标阻抗控制和TDE的滑模控制，旨在提高跟踪精度的同时保证穿戴者的安全。 实验中，采用VICON MX三维步态信息捕捉设备和AMTI测力平台收集髋、膝、踝关节及足底压力信息。VICON MX系统由MX摄像机、MX组件、PC主机和测力平台组成，能够同步采集运动信息和足底压力数据。实验对象为健康成年人，通过调整摄像机位置，以100 Hz的采样频率收集行走和跑步机上的步态数据，确保实验结果的准确性。 通过这种控制策略，可以期望为动力型下肢假肢提供更精准、适应性强的控制，从而提高穿戴者的步态自然度和舒适性，减少因假肢使用带来的额外能量消耗，更好地融入正常生活。未来的研究将进一步优化控制算法，提高假肢的动态响应和适应性，以满足不同用户的需求。