电液直驱主被动混合踝关节假肢设计与分析

穿戴踝关节假肢是膝下截肢患者恢复行走能力的重要手段。下肢假肢按照能否主动输出转矩分为被动假肢和动力假肢,其中动力假肢分为主动假肢和主被动混合假肢。被动踝关节假肢不能提供主动扭矩,应用场景有限;动力踝关节假肢能够输出主动扭矩,但存在低被动摩擦与高主动传动比不兼容问题。为了提高踝关节假肢的性能和适应性,从实际应用角度出发,基于电液直驱原理,提出了一种主被动混合踝关节假肢的新构型。首先,基于对人体踝关节角度及扭矩的分析,设计了踝关节假肢驱动系统,并提出了主被动混合踝关节假肢的总体设计方案;然后,建立了假肢系统的数学模型,通过对假肢液压系统的仿真分析验证了的假肢系统的合理性,并研制了假肢原理样机;最后,通过台架测试和人体穿戴假肢行走实验对假肢的性能进行了验证。实验结果显示:适配者行走步速为1.0 m/s(接近成年人的平均行走速度)时,假肢踝关节主动输出最大扭矩为28 N·m。研究结果表明:提出的主被动混合踝关节假肢可以实现人体行走过程中的主动助力功能,并能较好拟合人体踝关节运动姿态,增强了穿戴适应性,同时使假肢的体积和质量得到了进步的减小,为动力型下肢假肢的研究提供了设计思路和参考依据。

主动式踝关节假肢的位置伺服系统研究

根据人体脚踝的运动特性,设计了具有位置、速度和电流反馈的闭环控制的主动式踝关节假肢的位置伺服系统,为身体前进提供足够的能量,以实现步态轨迹,并在控制系统的位置环引入Fuzzy-PID控制策略。仿真结果表明,Fuzzy-PID控制器用于主动式踝关节假肢位置伺服系统具有很好的智能性、鲁棒性、快速性和准确性,可以有效地用于主动式踝关节假肢的行走控制。

主动式踝关节假肢运动轨迹的迭代学习控制

根据肢体运动轨迹的重复特性,提出主动式踝关节假肢运动轨迹的迭代学习控制方法,解决行走过程中主动式踝关节假肢与正常肢体运动轨迹的差异性。在设计主动式踝关节假肢的结构并建立其数学模型基础上,通过Matlab/Sinmulink进行仿真,其结果表明该方法能够使假肢快速跟踪期望运动轨迹,达到与正常肢体运动轨迹的匹配。

基于电静液作动原理的主动式踝关节假肢设计

踝关节假肢作为人体医学假肢的重要组成部分,按其作用原理分为被动式假肢、半主动式假肢和带有主动驱动的主动式假肢。主动式踝关节假肢具备主动驱动能力,同时通常包含能够产生弹性以及形成能量反馈的机构,可以显著地改善截肢患者的行走舒适性。根据人体生物力学分析,提出了主动式踝关节假肢的总体方案,设计了基于电静液作动原理的主动式踝假肢驱动系统,设计了假肢整体机械结构,并完成了假肢整体的力学性能与运动学仿真。相对于传动的机电系统或液压系统驱动的主动式踝关节假肢而言,采用电静液作动器驱动的主动式踝关节假肢具有功率密度高、噪声低和状态切换快速平滑等优势。

主被动踝关节假肢力/位混合控制研究

为了满足小腿截肢患者的运动需求,根据踝关节在人体步态周期中的生物力学特性,结合已有的研究基础和实验条件,研制了第一代主被动混合驱动的踝关节假肢样机。通过对样机仿生运动的分析和运动模型的建立,提出了一种基于有限状态机的力/位混合伺服控制系统,采用PID和模糊PID两种控制算法对假肢运动进行Matlab仿真和角度控制实验。实验结果表明,该假肢样机可以得到类似人体运动的踝关节角度-力矩曲线,并且模糊PID算法控制输出的曲线更加符合人体特性,从而验证了样机设计的合理性和控制方案的可行性,为进一步实现样机的应用提供了依据。

一种主动型踝关节假肢设计及动力学分析

设计了一种平衡可控变刚度主动型踝关节假肢,通过调节弹簧的预紧力,实现不同行走模式下的变刚度运动。首先采用Motion Analysis步态分析系统进行人体行走步态实验的研究,获得踝关节行走过程中的关节角度及关节力矩,为踝关节假肢设计提供理论依据;其后,进行踝关节假肢机构方案分析,利用电动机带动曲柄摇杆机构,并组合弹簧进行踝关节假肢的机构设计;最后,采用ADAMS软件进行踝关节假肢虚拟样机仿真,研究不同刚度系数对踝关节假肢运动输出的影响,仿真结果表明踝关节假肢有较好的动力输出效果,并通过实验验证了机构设计的合理性。

动力踝关节假肢设计与仿真

介绍了踝关节假肢的发展现状,为了达到人体理想的行走步态,对一个周期内的步态过程进行了研究,设计了一种具有主动驱动力源的踝关节假肢模型,整个机构采用串联弹性驱动系统和并联弹性板辅助来模拟步态整个周期运动过程。通过使用Solidworks、ANSYS和ADAMS软件的虚拟样机联合仿真,进行了一个步态周期内的踝关节假肢的仿真过程,结果表明该踝关节假肢模型能够实现正常的步态运动,并能够得到类似正常人体行走的踝关节角度和角速度曲线,验证了机构的可行性。

主动型仿生踝关节假肢的设计探析

现阶段，在假肢研究领域中踝关节假肢是一种非常关键的技术。因为踝关节是人体下肢关节中一个非常重要的组成部分，同时也是最为灵活的组成部分。

基于人体生物力学的低功耗踝关节假肢的设计与仿真

根据对人体踝关节运动生物力学的研究结果,设计了一种新型的主、被动相结合的低功耗的踩关节假肢.通过对人体行走过程中踝关节角度-力矩变化关系的特征分析、运动关系的理想化及运动过程的分解,把人体平地慢速行走运动分为触地缓冲跖屈、身体前移背屈、蹬地前行跖屈及摆动4个阶段的运动过程,采用串联弹性驱动器系统及并联弹簧模拟此运动过程,并进行由串联弹性驱动器系统、并联弹簧机构等组成的踝关节假肢的机构设计.在建立的SolidWorks、ADAMS虚拟样机联合仿真平台上进行了踝关节假肢的运动仿真,结果表明,该踝关节假肢能够实现预期的运动轨迹,验证了机构设计的合理性.