磁流变假肢膝关节结构集成及其适配技术研究进展

假肢在截肢者生活中扮演着重要角色,一方面可给人体站立提供支撑,另一方面可帮助截肢者的残肢运动。磁流变假肢是利用磁流变阻尼器(Magnetorheological damper,MRD)为阻尼器件的新型半主动假肢。详细介绍了磁流变假肢的结构组成和工作原理;指出了磁流变假肢结构的特点及应用,并对不同结构特点的磁流变假肢进行了分类和比较;同时阐述了当前磁流变假肢膝关节中主流的控制方法,针对不同控制方法的特点进行了对比分析;最后展望未来磁流变假肢的发展趋势及实际应用。

磁流变阻尼假肢膝关节的参数设计与特性研究

设计了一种基于磁流变阻尼器的假肢膝关节,利用拉格朗日理论建立假磁流变阻尼肢膝关节的动力学模型。对设计的磁流变阻尼假肢膝关节进行参数化设计,采用ADAMS仿真软件对参数化后的假肢进行仿真,分析了不同路面条件下假肢的驱动力矩和磁流变阻尼器的阻尼力。结果显示:在摆动期,磁流变阻尼假肢的驱动力矩发生了显著的变化,需要较大的驱动力矩。在摆动阶段,磁流变阻尼器的阻尼力较大,相对于平地行走和上楼梯而言,磁流变阻尼器输出的阻尼力在下楼梯时更大。因此,基于磁流变阻尼器的假肢膝关节为后续研究奠定了一定的理论基础,通过一系列的参数化设计,使得磁流变阻尼假肢膝关节满足性能要求。

人-机-环境共融的智能假肢膝关节研究进展

智能假肢膝关节作为下肢假肢中最重要的部件,是一种人-机-环境高度共融的复杂系统,解决此共融系统中的关键科学问题是实现假肢穿戴者步态自然柔顺的必要条件。以仿生设计、智能感知和智能控制这3个主要研究方向为切入点,综述智能假肢膝关节的研究进展。仿生设计的重点在于如何通过仿生结构与驱动设计,使假肢关节拟合人体关节驱动/阻尼代偿机制;智能感知聚焦于如何建立人-机-环境交互通道,实现人体运动意图识别与人机协同任务中的混合决策;智能控制主要关注如何在动态环境中调整假肢运动或驱动策略,使假肢更接近于人体正常的步态特征。最后,探讨智能假肢膝关节在人-机-环境共融研究中的发展方向与挑战,其中研究重点包括主被动混合代偿驱动、人体自主使能控制以及人-机-环境双闭环交互。

动力型假肢膝关节设计与仿真研究

目前应用的被动式假肢膝关节由于其局限性并不能满足截肢者日常活动的需求,设计了一种能够为穿戴者提供助力的动力型假肢膝关节.利用Vicon人体三维运动捕捉系统,采集人体下肢运动信息,对人体膝关节的运动进行分析,结合动力型假肢膝关节实现的功能和工作原理设计其结构.利用CAD软件Solidworks对动力型假肢膝关节进行建模,利用cosmotion有限元运动分析软件进行运动学仿真得到电机轴运动与膝关节角度之间的关系,为进一步研究动力型假肢打下基础.

六连杆假肢膝关节优化设计

目的：假肢膝关节的设计对于膝上截肢者的安全与步态关系重大。为了改善膝上假肢穿戴者的步态，设计了六连杆假肢膝关节。方法：采用最优化设计使摆动相步态尽可能逼近正常步态；在结构设计上利用瞬停节特性使膝关节在支撑期有自锁功能并具有很强的抗干扰能力。结果：计算机仿真为踝关节运动轨迹均方误差不超过１．９６％。结论：该膝关节假肢在支撑期保持稳定性的同时，在摆动期内膝、踝关节运动轨迹，以及大小腿的角度变化关系相对于正常人具有很好的逼近效果，能够有效改善患者步态。

新型假肢膝关节的设计与仿真研究

假肢膝关节是假肢最重要的结构,对假肢性能具有至关重要的影响。从仿生性角度出发,提出一种新型假肢膝关节结构。以踝关节轨迹作为步态评判标准,建立机构的运动学模型。论述模型结构的优化原则、目标函数以及约束条件,运用LINGO软件编程对模型中的尺寸参数进行优化。将优化后的结构模型运用ADAMS进行仿真分析,验证模型及优化的正确性。仿真结果表明,运用设计的新型假肢膝关节的假肢能够较好地模拟正常人行走的踝关节轨迹,具有较好的行走步态。

智能假肢膝关节的研发要点及其研究进展综述

目的介绍国内外智能假肢膝关节研究的主要进展,为相关领域的研发提供可借鉴的思路。方法基于机械结构、调控方式、驱动方式,对典型假肢膝关节进行了分类比较,并从假肢穿戴者的运动意图识别、驱动控制、人机协调控制等方面做了分析。此外,对假肢膝关节在智能化研究与安全性、个性化与通用性、人机共融技术、科学伦理、关键技术等方面需要注意的问题,提出了研发要点和技术思路。结论智能假肢膝关节应注重安全性与稳定性,规避用户在使用过程中的潜在危险因素;实现假肢控制参数的自整定和灵活适配,在个性化与通用性上达到平衡;综合考虑人—机—环境因素,实现协调控制;坚持“以人为本”,在技术方法和科学伦理两个方面开展医工结合的研究;突破关键技术限制,建立完善的社会医疗康复保障服务体系。

1例单侧大腿截肢者穿戴四种假肢膝关节步行能力的评价

目的比较1例单侧大腿截肢者穿戴四种不同假肢膝关节后的步行能力,为临床开具假肢处方提供参考。方法 1例单侧大腿截肢者分别穿戴机械四连杆、气压四连杆、液压单轴和智能假肢膝关节,穿戴智能日常活动能量消耗记录仪进行计时起立与行走测试、室内6分钟步行测试、静态站立平衡测试和室外1000 m步行测试。结果截肢者穿戴智能膝关节假肢比穿戴其他膝关节假肢在步行过程中能量消耗少,步行速度快。结论不同假肢膝关节对单侧大腿截肢者步行能力影响不同。

假肢膝关节随动控制系统研究与设计

介绍了基于假肢膝关节的跟随健康腿运动控制系统的设计;为了使智能型膝关节能够较好地跟随健康腿运动;根据假肢膝关节结构、工作原理,设计了假肢膝关节步态随动控制软硬件系统,采用了模糊PID控制算法以闭环的方式对系统进行控制;实验中的各个控制器参数能够随偏差信号的变化而变化,适应能力强,效果好;模糊PID控制算法的效果明显,验证了控制算法的可行性和系统良好的跟随性能,为步态跟随的实现提供了保障。

单轴式磁流变假肢膝关节设计及CT+PD轨迹跟踪控制

针对传统假肢膝关节存在阻尼无法连续可调、仿生性不佳及价格高昂等问题,提出一种以磁流变阻尼器(Magnetorheological damper, MRD)为控制器件的新型磁流变假肢膝关节(Magnetorheological damper-based prosthetic knee, MRPK)。基于健康人在平地行走的步态数据,对单轴式MRPK进行结构设计,并建立其处于摆动相内的动力学模型,得到MRD的阻尼力需大于208.6 N及行程需大于33.3 mm。对MRD进行结构设计并利用ANSYS对其进行电磁场仿真分析,同时建立MRD的正向、逆向力学模型并得到其性能曲线。采用联合仿真的方法建立磁流变假肢膝关节控制系统,设计CT+PD轨迹跟踪控制器并与PD控制器对比,仿真得到CT+PD控制器的最大误差为-4.6°,而PD控制器的最大误差为12.3°。初步证明了CT+PD轨迹跟踪控制对MRPK摆动控制的有效性。

假肢膝关节磁流变阻尼器的多目标优化设计与分析

为解决目前应用于假肢膝关节的磁流变阻尼器(magnetorheological damper,MRD)存在的问题,通过建立假肢膝关节磁流变阻尼器结构参数与优化目标之间的关系模型;以磁流变阻尼器的低功耗化及轻量化为优化目标,采用多目标遗传算法对其关键几何尺寸进行优化,分析各参数对优化目标的影响,并得出最优化的解。研究结果表明:优化过后的假肢膝关节磁流变阻尼器的体积及功耗分别减小了21%和36%,同时其输出阻尼力并没有受到影响;阻尼器的功耗优化与体积优化之间存在相互制衡关系,因此在寻求最优解时,应考虑实际情况的需要,选择最为合理的参数。

双摇杆假肢膝关节的运动学与动力学分析

膝关节是人体正常运动的重要部位。为了满足下肢截肢患者恢复正常运动功能的需求,设计了一款双摇杆机构的假肢膝关节。首先,建立了下假肢的简化模型,通过对模型的运动学分析,获得了相关关节角度、角速度、角加速度等参数。通过动态静力分析法对双摇杆的各个杆件进行动力学分析,最终得到输出阻尼力与驱动力矩之间的平衡方程。通过Adams仿真分析,得到了高度相似的膝关节瞬心轨迹和踝关节轨迹运动曲线对比图。结果表明,设计的双摇杆假肢膝关节具有良好的稳定性与仿生性,能够满足截肢患者的运动需求。研究为双摇杆假肢膝关节整体的结构设计、加工和实时控制提供了理论依据。

智能假肢膝关节的优化设计及运动学分析

智能假肢膝关节是一种代偿下肢缺失功能的机械电子装置,可以采用双摇杆机构实现对假肢膝关节运动特性的模拟。针对假肢膝关节行走过程中能量消耗过大、稳定性较差的问题,以假肢膝关节机构峰值驱动力矩最小为优化目标,建立了优化模型;在满足性能与结构的约束条件下,运用复合形法对该模型进行优化求解,得到了假肢膝关节机构的最佳结构参数;在此基础上,利用ADAMS软件进行了虚拟运动仿真。结果表明:优化后的智能假肢膝关节具有优良的仿生性能,其峰值驱动力矩相比优化前降低了40%,驱动力矩变化范围缩小36%,大大地提升了智能假肢膝关节的稳定性与续航能力。

磁流变假肢膝关节CT+PD轨迹跟踪控制研究

以磁流变阻尼器为制动器的磁流变假肢膝关节具有阻尼连续可调的优点,但如何使其具有较好的仿生性是限制磁流变假肢膝关节商业化发展的重要因素。基于健康人在平地行走的步态数据,建立单轴式磁流变假肢膝关节处于摆动相内的动力学模型。在传统比例微分(Proportional Derivative,PD)控制基础上,引入计算力矩(Computing Torque,CT)控制方法,提出CT+PD轨迹跟踪控制算法,并对单轴式磁流变假肢膝关节小腿摆动角度进行控制。介绍了CT+PD轨迹跟踪控制算法原理并对其稳定性进行分析。建立磁流变假肢膝关节控制系统,并将PD控制器与CT+PD控制器对比,仿真得到CT+PD控制器的最大绝对误差为4.6°,而PD控制器的最大绝对误差为12.3°,证明了CT+PD轨迹跟踪控制对磁流变假肢膝关节轨迹跟踪的有效性。

一种智能膝关节假肢及其步态对称性评价

目的提出一种评价智能膝关节假肢步态对称性的方法。方法设计智能膝关节假肢样机AiKneeOne以及可穿戴式步态数据采集系统。以步态周期中第一次双脚支撑时间、单脚支撑时间、第二次双脚支撑时间和摆动相时间作为参数,计算对称指数(SI)和对称指标比率RⅠ、RⅡ评估步态对称性指标。5例健康人模拟穿戴AiKneeOne,以0.5、0.7、1.1 m/s速度在平板上行走,采用可穿戴式下肢步态数据采集系统采集数据,进行实测。结果不同速度下,第一次双脚支撑和第二次双脚支撑时,SI和RⅡ绝对值较低、RⅠ接近1,对称性较好;单脚支撑和摆动相时,对称性有待提高。结论智能膝关节假肢AiKneeOne具备重建截肢者步态的潜力,步态对称性指标可用于智能膝关节假肢穿戴性能评估测试。

一种智能膝关节假肢模型的阻尼参数优化方法

目的为了提高智能膝关节假肢的穿戴调试效率及行走的步态对称性,提出了一种利用假肢模型对膝关节假肢的阻尼参数进行优化的方法。方法首先利用多杆刚体系统对智能膝关节假肢构建由膝关节、连杆及阻尼器组成的假肢模型。选择5例测试对象,其中男性3例,女性2例;年龄29~55岁,平均年龄44.20岁(标准差10.45岁);身高1.52~1.78 m,平均身高1.650 m(标准差0.098 m);体质量55~75 kg,平均体质量63.60 kg(标准差8.59 kg);大腿长0.37~0.44 m,平均大腿长0.404 m(标准差0.027 m);小腿长0.43~0.51 m,平均小腿长0.470 m(标准差0.029 m);步幅0.56~0.66 m,平均步幅0.610 m(标准差0.038 m)。将不同步速(0.8 m/s、1.2 m/s、1.6 m/s)的健肢侧膝关节角度及足底反力信息导入该模型,结合S.S.Rao Mechanical Vibration的二阶振动理论,以假肢模型与健肢之间的膝关节角度最小均方根误差为优化目标,对阻尼参数(ωd,ζ)进行优化求解。结果通过对5例测试对象的步态测试,假肢模型在支撑相的膝关节角度与真实人体膝关节的角度偏差为3.8°±0.4°,相关性为0.86±0.06;摆动相则为1.7°±0.2°,相关性为0.990±0.005。支撑相的阻尼频率范围在5~20,阻尼比范围在0.001~0.990;摆动相的阻尼频率范围在3.7~8.6,阻尼比范围在0.0001~0.1100。结论仿真结果表明,利用该模型对膝关节假肢的阻尼参数进行优化具备一定的可行性,可以提高膝关节假肢的穿戴调试效率,理论上也可以提高穿戴膝关节假肢行走时的步态对称性。

基于模糊逻辑算法的智能膝关节假肢步态相位识别

目的针对智能膝关节假肢控制策略切换的需要,以人体行走的足底压力为研究对象,以模糊逻辑算法为基础,提出一种基于假肢足底压力信息的步态相位划分方法。方法利用安装在假脚足底的3个薄膜压力传感器采集测试对象在3种不同行走模式(平路行走、下坡行走、下楼行走)下的足底压力信息,经数据融合处理后,送入模糊逻辑控制器,建立IF-THEN规则,通过调整灵敏度系数Ai以及比例系数Bi,输出识别结果。结果经过对5例健康人的模拟测试,平路行走、下楼行走和下坡行走的步态相位识别准确率分别为(95.3±2.4)%、(81.5±6.3)%和(90.7±3.5)%。结论最终的识别准确率满足使用需求,该方法可以在智能膝关节假肢的步态相位识别中应用。

假肢智能膝关节研究进展

智能下肢假肢一般是指带有智能膝关节的假肢,其智能主要体现在可以随着步行速度、关节角度变化自动调整假肢膝关节控制力矩，使假肢步态在对称性和跟随性等方面更接近健康人步态，具有较高仿生性能。

基于电液直驱技术的半主动膝关节假肢设计

为实现半主动膝关节假肢随使用者残肢意图自由摆动的功能,通过低传动比实现低被动运动摩擦是先进电动假肢广泛采用的技术方法,但由于低被动摩擦和高传动比驱动不兼容的瓶颈问题,导致低扭矩输出。为此,基于电液直驱技术,提出了膝关节液压半主动驱动原理,设计了一种半主动膝关节假肢。充分利用液压传动的特点,使驱动系统具备低被动摩擦的同时能够输出大范围的驱动扭矩;完成了膝关节假肢样机集成,采用有限状态机控制方法,开展了截肢患者穿戴实验。结果表明,提出的半主动膝关节假肢结合了被动和主动假肢的优点,在水平行走摆动期提供被动屈曲和主动伸展,穿戴舒适性高。