步态跟随式仿生智能假腿的动力学与控制方法研究

The gait symmetry of swinging phase with self-adaptation to the personnalized parameters of patients is a key technology for bionic human intelligent prosthetic leg(IPL). The project is to study in depth on a type of hydraulic IPL following the gait of healthy side in theory and experiment. The control method of swing phase gait symmetry and self-adaptation to patient parameters will be established.Based on study of the bionic structure and principle of knee joint,a nonlinear dynamics model describing the the direct coupling relationship between the damping control parameters of bionic knee joint and the motion parameters of IPL will be set up , For a traditional kinetic model based on the Lagrange equation can not describe the key damping characteristics of knee joint in IPL, therefore it is not suitable for the gait-following control research and an appropriate type of dynamics model needs to be established. Aditionally, the IPL is a complex system determined by the characteristics of the nonlinearity in dynamics model,the parameter uncertainty of prosthesis wearer,and the multiple tasks and redundancy in control, so a nonlinear model in theory need to be built so as to seek more effective method of intelligent control for it. Through the study of the gait-following structure and dynamics model of IPL,this project will elucidate the key mechanism of dynamics modeling and gait-following control in swing-phase so as to establish the basic theory and method for the high performance IPL with application value.

自适应患者个性化参数的步态对称性控制是仿生智能假腿的一项关键技术。本项目将对一种跟随健侧腿步态的新型液压仿生智能假腿进行理论与实验研究。在研究膝关节仿生结构的基础上，建立其阻尼控制参数与运动参数之间直接耦合关系的非线性动力学模型，并获得基于此模型对象的、具有患者参数自适应性与摆动步态对称性的智能控制方法。由于假腿传统上基于拉格朗日方程的一般动力学模型不能描述智能假腿关键的膝关节阻尼特性，难以适用于步态跟随的控制研究，需要建立相适应的动力学模型。此外，模型的非线性、假肢穿戴者参数的不确定性以及控制的多任务、冗余性等特点决定了智能假腿的复杂系统特性，需要在理论上寻求有效的智能控制方法。本项目将通过研究智能假腿的步态跟随仿生结构、动力学特性以及具有参数实时适应性能的智能控制机理，阐明仿生智能假腿摆动步态跟随控制的关键动力学建模与控制机理，为高性能智能假腿的研制建立具有应用价值的基础理论与方法。

智能膝关节假肢是仿生智能假腿最为关键的组件，对于膝上大腿截肢患者运动能力的重建和提高具有决定性的影响，其仿生结构设计和实现生理步态的智能控制方法是研究的重点和难点。该项目的主要研究内容包括：1）基于液压阻尼膝关节的智能下肢假肢机械结构设计方法，重点为用于智能膝关节假肢阻尼力矩控制的电控液压阻尼缸结构设计；2）速度、步态时相、路况自适应的智能膝关节假肢感知及控制，包括基于摆动相最大屈曲角度的速度自适应智能控制算法，步态相位与路况识别方法；3）智能膝关节假肢系统原理样机实验测试，通过功能模拟与测试平台对相应运动参数进行测试，从而评估智能仿生假腿性能。重要结果包括：1）膝关节电控液压阻尼缸阀门结构设计对阻尼性能提供具有决定性的影响，从重量尺寸、加工制造角度出发分别设计了单电机直推板式、单电机蝶形阀片式、单电机正交式、双电机扇形口式、双电机针阀式电控流量调节阻尼缸结构。2）确定了基于单侧脚掌着地时间的速度识别方案，建立了基于摆动相最大屈曲角度的模糊逻辑速度自适应控制算法和基于模型预测的步速自适应调节算法。不同速度下的实验测试表明所提出的速度自适应智能控制算法可通过阀门开度的调节有效达到控制目标，并在偏爱行走速度、步态对称性、行走能量消耗上相比传统膝关节假肢均有显著的提高。在正常平地行走过程中，膝关节充当阻尼器阶段占比远大于驱动器，基于阻尼型仿生智能假肢膝关节设计的基础理论研究，可有效推动智能假腿仿生性的提高，实现高性能下肢假肢设计方法的创新。同时，基于这一基础理论研究还可以供步行机器人和下肢外骨骼研究借鉴。