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摘要由于战争、交通意外、自然灾害、疾病等导致的截肢患者日益增多，对仿生腿假肢等医疗辅助设备的需求量也日益增大。仿生腿作为康复机器人领域的一个重要研究方向，对于患者运动机能的恢复有着至关重要的作用。<br>　　传统被动式或半主动式仿生腿通常只是结构上仿生，只能依靠使用者的残肢被动行走，无法提供主动力矩，存在使用者穿戴以后的人机协调性差、体力消耗大、穿戴体验差的问题，而主动式仿生腿通过外部驱动元件为下肢各关节提供主动力矩，从而使仿生腿更好完成与患者健侧下肢的运动配合，极大地提高使用者的穿戴体验。<br>　　本文针对目前主动式仿生腿与使用者构成的人机耦合系统中存在的仿生腿系统柔性不足、结构仿生性差的问题，设计了一款基于气动人工肌肉的主动式仿生腿假肢，并对其运动力学特性及控制策略进行了研究，主要包括主动式仿生腿的结构设计、驱动方式、运动控制仿真及实验三个方面，具体研究工作如下：<br>　　（1）主动式仿生腿结构设计。分析人体下肢关节运动特性后，确定了仿生腿的关节自由度和整体基本尺寸，从人体解剖学及仿生学角度出发，确定了仿生腿设计准则并完成了仿生腿各部分结构设计，对比常见三种驱动方式优缺点后，选择了气动肌肉作为膝关节驱动元件并确定了尺寸型号及安装方式，最后在Solidworks软件下对薄弱零件强度进行校核，验证了其强度满足使用要求。<br>　　（2）主动式仿生腿动力学特性分析。首先对模型简化后基于拉格朗日方程建立了仿生腿系统动力学模型，明确了关节驱动力矩与运动角度、角速度、角加速度等之间的等量关系。然后通过Adams软件对仿生腿三维模型进行动力学分析，以正常人体关节运动曲线为输入，分别进行了仿生腿驱动控制仿真、步态行走仿真、驱动力矩仿真，对仿生腿结构合理性和减震性做了验证，根据膝关节最大驱动力矩验证了所选气动肌肉型号满足所需力矩需求。<br>　　（3）单自由度膝关节系统模型建立。首先分析了气动人工肌肉的结构，通过解析法建立了气动人工肌肉的静态数学模型，根据所选气压阀的相关参数，联合气动肌肉工作过程的质量流量方程、压力动态方程，带入关节动力学模型建立了膝关节系统模型，然后以差动调节的方式将系统减化为单输入单输出系统，对系统模型简化后得到了用于后续控制器设计的系统状态方程。<br>　　（4）仿生腿膝关节控制策略研究。膝关节的稳定控制是仿生腿整机协同稳定控制的基础，针对气动肌肉给系统带来的非线性问题，设计了对非线性系统有良好控制效果的反演控制器对关节进行控制，同时为了降低建模忽略的不确定项以及外部未知扰动带来的影响，采用了神经网络对未知项进行逼近，设计了神经网络反演控制器，在Matlab下进行了轨迹跟踪仿真实验，结果表明，RBF神经网络反演控制可以实现在系统非线性及存在未知干扰的情况下的稳定控制。<br>　　（5）仿生腿膝关节样机实验研究。根据设计的仿生腿膝关节结构，制造加工了仿生腿膝关节零部件，搭建了膝关节样机实验平台。为了进一步验证RBF神经网络反演控制对关节的控制效果，设计了不同跟踪信号和不同负载下的关节轨迹跟踪实验，验证了控制方法的有效性。