54、动力假肢腿的控制与实验研究

动力假肢腿的控制与实验研究

1. 控制方法选择

在控制动力假肢腿时，测量人与假肢腿之间的相互作用力，使用部分反馈线性化可能并不合适。取而代之的是，采用无模型扭矩控制方法来实施虚拟约束，具体为输出PD控制。PD控制器在动力假肢腿中的形式如下：
$v_i = - K_{pi}y_i - K_{di}\dot{y} i$
其中，$K {pi} > 0$ 和 $K_{di} > 0$ 分别为比例增益和微分增益。

2. 硬件设置

动力假肢腿的设计要求基于健全人行走的关节运动学和动力学。以75kg的用户体重为基础，膝关节和踝关节的最大扭矩分别设计为40Nm和120Nm。每个关节由作为四杆连杆的线性滚珠丝杠执行器驱动。一个板外微控制器通过电缆接收板载传感器的信号，并将命令传输到板载电机驱动器。在关节处，一个高分辨率光学编码器安装在输出轴上，用于测量关节角度位置以进行反馈。
以下是硬件设置的主要部件及功能：
|部件|功能|
| ---- | ---- |
|线性滚珠丝杠执行器|驱动关节运动|
|板外微控制器|接收传感器信号并传输命令|
|高分辨率光学编码器|测量关节角度位置用于反馈|

3. 实验协议

实验协议经过了相关机构审查和批准。实验共对三名非专业股骨截肢患者进行测试，他们此前从未使用过动力假肢腿。
实验流程如下：
1. 增益调整 ：在实验前，让健全人佩戴假肢腿并使用旁路适配器，调整增益以实现舒适行走。将增益调整到系统更柔顺的程度，因为较强的增益在行走时会让人感到不适。