摘要：目的:电动下肢假肢具有较强的非线性和耦合性,针对假肢在不同地形间行走时存在的外部扰动问题,本文提出了积分滑模控制策略。方法:采集人体下肢在平地、上/下斜坡及上/下楼梯五种路况下的运动信息,根据足底压力信息将不同路况的一个完整步态周期划分为支撑期及摆动期两个模态,并分别进行人体下肢运动学分析;利用拉格朗日方程建立假肢支撑期与摆动期的动力学模型;在五种运动模式下,设计积分滑模控制器对假肢进行控制,并进行联合仿真验证。结果:膝踝假肢轨迹跟踪收敛速度加快,误差降低。结论:积分滑模控制器对于外部扰动具有明显的补偿作用,提高了假肢在多路况行走时的控制效果。

摘要：针对膝-踝-趾动力型假肢系统的强耦合性,导致系统控制效果不理想等问题,本文设计控制法则分解法解耦器对系统进行解耦,降低耦合度,提高控制效果。利用拉格朗日方程建立了膝-踝-趾动力型假肢系统支撑末期的动力学模型,此模型的耦合度为1.22,耦合性较强,需要进行解耦;基于控制法则分解法设计模型解耦器,以此简化假肢系统,将耦合度强的系统简化为膝、踝、趾独立控制的模型;基于自适应迭代学习设计控制器,对解耦前后三自由度假肢系统的各关节进行控制。结果表明:此解耦器可以将假肢模型简化为3个单输入、单输出的系统,同时降低关节间的耦合度,加快系统的收敛速度,与解耦前的控制效果相比,解耦后系统收敛误差明显减小。本文为多关节假肢系统提供了模型简化方法,为实物样机控制提供理论验证。

摘要：针对外科医生长时间保持手术姿态而造成的肌肉和关节损伤的现状,本文通过分析手术姿态,分别对不同关节进行构型研究,设计了一种具有多关节机构的医用多位姿辅助支撑外骨骼。然后通过建立人机静力学模型,本研究得到人体穿戴外骨骼前后的关节扭矩、关节力,并用有限元分析软件对外骨骼强度校核。结果表明,外骨骼最大应力小于材料强度要求,整体形变小,外骨骼结构强度满足使用需求。最后,本研究选取受试者参与足底压力试验,并结合人机静力学模型进行生物力学仿真,从足底压力、关节扭矩和关节力、肌肉力和肌肉总体代谢三个方面进行结果分析,以评估外骨骼支撑性能。结果表明,外骨骼对全身有较好的支撑性,能够减轻肌肉骨骼负担。本研究的外骨骼机构更匹配外科医生的实际工作需求,为医用支撑外骨骼机构设计提供了一种新的范例。

摘要：通过辅助长期卧床人员定时翻身,调整压力分布避免单一部位长时间受压是预防压疮的最有效措施。但被动辅助翻身与人体主动翻身相比,身体各部位受力存在明显差异,可能影响翻身舒适性,甚至对外伤及危重患者造成二次伤害。因此,探究被动翻身舒适性影响因素,确定最优翻身策略具有较大的实用价值。首先,本文研究被动翻身人体各关节承载特征,提出了一种楔形气囊构型,并将床垫楔形气囊对偶布局等效为弹簧-阻尼模型,并基于实验方法进行模型关键参数辨识。然后,通过调整施力位置、顺序,设计了不同辅助翻身策略,建立了基于刚性人体结构与柔性等效弹簧的人-垫力耦合仿真模型,获得了人体主要承压部位受力情况。最后,对15名受试者开展辅助翻身试验,通过分析仿真结果、实验数据及问卷评分,验证了辅助翻身与压力调整效果,阐明了被动翻身过程人体舒适性的力学影响因素,为后续床垫构型设计与辅助翻身策略优化提供了理论基础。

摘要：目的建立拇外翻足有限元模型,研究不同拉力下第1、2跖列的应力及位移变化情况。方法将采集的拇外翻病人足部CT图像导入Mimics软件,重建足部三维骨骼模型;利用3-matic软件对重建模型进行网格划分与体网格生成;将优化处理过的模型导入ANSYS中进行有限元分析,通过改变拉力大小、方向验证拉力与第1、2跖列的应力、位移之间的关系。结果对第1近节趾骨施加不同大小、方向的拉力,当力小于12 N时,随着拉力的增加,第1趾骨位移变化较为明显,拉力每增大2 N,位移约增加1 mm;当力大于12 N时,随着拉力的增加,第1趾骨应力不断增加,而位移只发生微小变化;而当力保持12 N不变,以15°间隔改变力的方向时,第1、2跖列的应力大小及其分布随方向的变化而改变,同时位移也会产生相应的变化,且当力的方向与第2趾骨方向越趋于垂直时,第1趾骨产生的位移越大。结论有限元分析技术可以形象、准确地分析第1、2跖列在不同拉力下的应力及位移变化情况,为拇外翻矫形器的设计奠定基础。

摘要：生猪的体尺参数是生猪生长状态的重要评判标准,而人工测量体尺耗时耗力且容易造成猪只的应激反应,本文研究了无接触式猪只体尺参数测量方法,借鉴人工测量经验法,提出基于点云语义分割的猪只体尺测量方法。本文以大约克夏猪为研究对象,搭建无接触式猪只点云采集平台,采集3510组猪只双侧点云数据;利用直通滤波器与随机采样一致性分割处理方法去除背景点云,基于统计滤波器去除离群点,采用体素下采样方法稀疏点云,完成猪只点云的预处理;基于PointNet网络,结合注意力模块构建语义分割模型,针对不同分割部位设计猪只体尺测量方法。试验结果表明,在自制数据集上,改进的语义分割模型准确率为86.3%,相较于PointNet、PointNet++和3D-RCNN分别高8、5.7、2.6个百分点;体尺的测量值与实测值最大绝对误差为6.8 cm,平均绝对误差均在5 cm以内,具有较高的估算准确性,此方法能够用于猪只体尺测量。本文将语义分割与体尺测量相结合,可为后续非接触测量提供思路。

摘要：目的针对膝-踝-趾动力型假肢系统支撑期强耦合性会导致假肢系统控制精度下降的问题,提出精确反馈线性化方法对动力型假肢系统解耦。方法采集人体下肢步态信息,将支撑期划分为支撑前中期和支撑末期,建立两个模态的动力学模型;使用精确反馈线性化解耦方法对支撑期假肢系统解耦,结合滑模控制设计动力型下肢假肢控制器;搭建联合仿真平台验证方法的有效性。结果解耦后系统相较于解耦前控制精度提高,解耦后支撑前中期膝、踝计算平均绝对误差(mean absolute error,MAE)分别减少至0.0011°、0.0026°,均方根误差(root mean square error,RMSE)分别减少至0.0147°、0.0236°;支撑末期膝、踝、趾MAE分别减少至0.0111°、0.0051°、0.0065°,RMSE分别减少至0.0219°、0.0210°、0.0129°,总体控制误差减少,响应速度加快,并且假肢能够在仿真环境中稳定运行。结论本文提出的解耦方法可有效简化下肢假肢系统的控制,并为假肢系统的进一步研究奠定基础。

摘要：研究了一类非齐次的高阶非线性系统的连续状态反馈控制设计问题.通过定义一列适当的辅助函数,放宽了对非线性项的约束条件.利用传统的积分反推技术,并增加一个积分项的方法,得到了这类系统的稳定性,给出了控制器的设计方法,并通过一个例子验证了本文的理论结果.

摘要：从人机共融角度出发设计了假肢跌倒保护控制系统,包括跌倒预警和跌倒保护控制两个方面.首先通过综合分析所采集的人机信息设计跌倒预警系统,完成假肢穿戴者异常步态的有效识别与预警.通过基于健康人有效保护策略的经验知识库方法提取跌倒保护动作经验,制订对应假肢膝关节的跌倒保护策略.以四连杆假肢机构作为被控对象,通过多项式拟合建立运动控制模型,设计基于事件触发的下肢假肢跌倒保护控制系统.以跌倒预警信息作为事件触发条件,以健康人在将要跌倒状况下的膝关节恢复动作作为目标意图,来控制假肢膝关节完成预定转动.实验结果表明,假肢膝关节与人体残肢能在同一自然空间紧密协调,做出正确的保护动作.

摘要：动力型下肢假肢的主要功能是帮助截肢患者实现独立自如的行走,为了使假肢能够配合用户的运动,需要对用户的运动意图进行识别。通过提前获知用户前方环境信息,将其作为运动意图识别的先验知识,可以提高运动意图的识别精度。为了给动力型下肢假肢提供前方环境信息,设计了一种可穿戴的地形识别系统。首先通过安装在人体腰部的二维激光雷达收集前方地形数据,然后利用凝聚分层聚类算法对采集的数据进行线性特征提取,最后利用有限状态自动机对前方地形进行识别。实验中,对平地过渡到上/下斜坡、上/下楼梯四种地形进行了测试。结果表明,该系统不仅对四种地形的识别精度达到了95.8%,还可以计算出传统的运动意图识别方法无法得到的地形参数信息,包括斜坡的坡度、楼梯的阶数和台阶的高度与宽度。这证明了将该系统应用于动力型下肢假肢的有效性和可行性。