基于先进制造平台的假肢接受腔计算机辅助制造系统**☆

目的：为了克服手工制作假肢接受腔的缺点，将计算机辅助制造技术用于加工假肢接受腔，提高接受腔的质量和加工效率，减少对操作者知识和经验的要求。 方法：基于先进制造平台建立假肢接受腔计算机辅助制造系统，进行系统的硬件设计和软件实现。先进制造平台的主要部件包括工控机，运动控制卡，松下全数字交流伺服控制系统，丝杠导轨，铣刀主轴电机，变频器，开关电源，限位开关及接近开关。软件主要包括参数设置、测试机器及开始加工3个功能模块。通过设置不同的指令脉冲输入和驱动器参数，调试出不同的电机转速。 结果：实验结果显示，电机不仅有着自我保护的最高转速限制，而且即使在极低速运转的情况下，电机的运转现象仍然非常平稳，不会出现振动现象，更符合假肢接受腔的加工特点，可以加工出满足残疾人需要的高质量假肢接受腔。 结论：基于先进制造平台的假肢接受腔计算机辅助制造系统可以克服手工制作的缺点，确保产品质量，降低成本。可以把优秀假肢制作师长期积累的经验编入计算机设计程序，减少对操作者知识和经验的要求，提高假肢接受腔一次制作成功率，降低接受腔的质量不确定性，从根本上改变了过去依靠手工设计、测量、取型、修型等落后的生产模式。 关键词：先进制造平台；假肢接受腔；计算机辅助制造系统     

拇外翻足三维有限元模型构建及其第1、2跖列生物力学分析

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。     

膝-踝动力型假肢解耦控制研究

摘要 目的：膝-踝假肢的动力学模型是一个高阶、非线性、强耦合的系统。假肢膝踝关节运动之间存在耦合性,这种耦合性会导致系统控制效果不理想,甚至不可控。需设计解耦器简化膝-踝假肢系统动力学模型,降低假肢关节间的耦合度,提高系统的控制效果。 方法：首先根据拉格朗日方程分别建立下肢假肢支撑步态阶段与摆动步态阶段的动力学模型;然后设计积分型解耦器,在假肢动力学模型之前串联积分型解耦器,将假肢模型简化成多个单输入、单输出的系统;最后利用自适应迭代学习控制算法对解耦前后的膝-踝假肢的各关节运动轨迹进行跟踪。 结果：解耦后的膝-踝假肢系统收敛速度加快且收敛误差降低。 结论：积分型解耦器可以简化假肢系统动力学模型,降低假肢关节间的耦合度,提高系统的控制效果。     

基于精确反馈线性化的动力型下肢假肢支撑期解耦控制

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. 001 1°、0. 002 6°,均方根误差( root meansquare error,RMSE) 分别减少至 0. 014 7°、0. 023 6°;支撑末期膝、踝、趾 MAE 分别减少至 0. 011 1°、0. 005 1°、0. 006 5°,RMSE 分别减少至 0. 021 9°、0. 021 0°、0. 012 9°,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。     

电动下肢假肢多路况控制策略研究

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。     

基于先进制造平台的假肢接受腔计算机辅助制造系统

目的：为了克服手工制作假肢接受腔的缺点,将计算机辅助制造技术用于加工假肢接受腔,提高接受腔的质量和加工效率,减少对操作者知识和经验的要求。方法：基于先进制造平台建立假肢接受腔计算机辅助制造系统,进行系统的硬件设计和软件实现。先进制造平台的主要部件包括工控机,运动控制卡,松下全数字交流伺服控制系统,丝杠导轨,铣刀主轴电机,变频器,开关电源,限位开关及接近开关。软件主要包括参数设置、测试机器及开始加工 3 个功能模块。通过设置不同的指令脉冲输入和驱动器参数,调试出不同的电机转速。结果：实验结果显示,电机不仅有着自我保护的最高转速限制,而且即使在极低速运转的情况下,电机的运转现象仍然非常平稳,不会出现振动现象,更符合假肢接受腔的加工特点,可以加工出满足残疾人需要的高质量假肢接受腔。结论：基于先进制造平台的假肢接受腔计算机辅助制造系统可以克服手工制作的缺点,确保产品质量,降低成本。可以把优秀假肢制作师长期积累的经验编入计算机设计程序,减少对操作者知识和经验的要求,提高假肢接受腔一次制作成功率,降低接受腔的质量不确定性,从根本上改变了过去依靠手工设计、测量、取型、修型等落后的生产模式。