膝踝足生机电一体化假肢仿生机构及人机共驱动方法的研究

膝踝足假肢是使大腿截肢者恢复行走功能、回归社会的唯一手段。本立项针对大腿假肢存在能量消耗大、步态不自然、假脚易损坏等问题，提出建立考虑足地碰撞的残端-膝踝足假肢生机电一体化系统模型，将假肢膝关节和踝足作为一体化系统进行集成设计，研究摆动期通过控制膝关节阻尼来跟踪健侧步态轨迹、支撑期利用机构自锁来提高稳定性，过渡期通过能量存储或释放来减小冲击和能耗，起立及特殊路况时由外动力驱动的主被动协同工作的仿生机构，探讨截肢者生物和生理信息参与控制的人机混合共驱动方法，为研发仿生大腿假肢提供设计理论和关键技术。.本项目成果不仅可以提升假肢技术水平，为我国200多万截肢者提供高性能产品，使他们共享科技进步成果，促进我国民生科技发展，而且也为生机电一体化研究提供载体，推动仿生制造等相关基础科学的进步，提高类似人机系统的协同工作能力，攻克人机混合控制系统共驱动理论，因此有重要的社会意义、科学价值和市场前景。

大腿假肢安装在股骨截肢者残端，在支撑期对身体提供可靠支撑，在摆动期跟随健康腿有节律地灵活运动，替代缺失大腿实现站立和行走等功能。本项目针对现有可以以交替步伐上下楼梯的大腿假肢噪声大、功耗大等不足问题，开展了膝踝足大腿假肢新型仿生机构及其控制策略的研究。. 首先建立了平地、上楼梯和下楼梯三种步态模式的人体下肢生物力学和膝踝足大腿假肢人机一体化模型，进行了健康人和截肢者步态测试实验，用所建模型和运动周期循环图及相图分析了三种步态模式下髋关节、膝关节和踝关节的运动学和动力学规律及各关节间的耦合关系，计算了大腿假肢穿戴者上楼梯举升身体重心时假肢膝关节和截肢者残端所需助伸力矩，对膝踝足一体化大腿假仿生机构设计和运动控制规划提供了理论依据。同时设计制造了关节阻尼智能可控和动力驱动多种膝踝足大腿假肢样机，提出了不同步行模式的运动耦合控制策略，开发了控制系统，进行了截肢者实验，探讨了健康人和截肢者骨盆运动轨迹和足底压力中心之间的变化规律,并设计制造了大腿假肢性能测试机器人，进行了扩展应用。. 在项目开展过程中，已经在内外专业期刊和学术会议上发表论文10篇，申请并授权发明专利2项，下肢假肢研制及其应用获得河北省科技进步二等奖。