此款智能人工下肢是基于人的动态行走原理设计而成的，其膝关节和踝关节均为柔性设计。同时，这款人工下肢具有一定的自学习能力，它可以通过自身的传感器自主地判断人行走的步态，并实时调整步态。它还可以通过脚底的传感器和健康肢体进行信息交流，从而实现对行走时序的闭环控制，使步态更自然，更高效，更稳定。

我国现有各类残疾人总数已逾8000万人，其中肢体残疾者超过2400万人。残疾人士的康复工程已成为我国社会和谐发展的重要因素。国务院、卫生部、民政部、中国残联等部门《关于进一步加强残疾人康复工作的意见》，明确提出到2015年实现残疾人“人人享有康复服务”的宏伟目标。因此，对残疾人康复设备的研究将促进社会和谐发展，带来巨大的社会效益和经济效益。 人工肢体（假肢）是支持肢体截肢患者恢复运动能力的主要途径。尤其对于下肢截肢患者，人工肢体可以帮助他们恢复行走等最基本的日常生活能力，使他们能回归社会。传统的人工下肢没有和健康肢体的智能交互，仅仅是对人类下肢几何形状的单纯模拟，性能欠佳。截肢患者穿戴传统人工下肢后步态极不自然，行走相当吃力，且需要长期的训练。随着技术的发展，机器人学开始进入人工肢体的设计和实现中。如何实现高效且有交互的人工肢体成为机器人研究的一个热点。目前对于智能肢体的最新研究主要集中在膝盖以下的含踝关节的智能机械脚（ankle-foot prosthesis）。这些人工肢体均为独立结构，其自主控制或人为控制主要依靠人工肢体本身，与健康肢体间并没有交互。 对于高位截肢的患者依靠单纯含脚踝关节的智能机械脚无法恢复行走能力。高位截肢患者穿戴的人工肢体必须包含踝关节和膝关节。传统人工下肢的膝关节往往采用四杆机构等纯机械结构。截肢患者在行走中需要人为用残肢下压人工下肢实现膝部弯曲。一般需要长期专门的训练才能逐渐适应人工肢体实现行走。含膝关节的新型智能人工下肢要求可以实现支撑期自锁定与解锁以及摆动期间膝关节的控制。此外，为了提高运动功能，需要将开环控制增加反馈组成闭环控制的形式。一种解决方法是在膝关节增加主动驱动，通过主动控制实现对膝关节弯曲角度和力矩的轨迹跟踪。这种方式和传统主动控制双足机器人的设计思想相似，即通过主动控制（电机、气动人工肌肉等）对关节角度和角速度进行轨迹跟踪，而期望轨迹根据人类行走参数而获得。这类增加主动控制的智能下肢已经有商业产品问世。然而，这类智能肢体仍然以残肢为核心，没有与健康肢体的实时交互。另外，在人类正常行走中，小腿随大腿自然摆动。增加膝部主动驱动的智能肢体由于驱动器响应时间和力矩要求等原因，往往能量效率较低。正是为了解决主动控制的双足机器人的能量效率问题，基于动态行走机理的双足机器人成为目前机器人界的研究热点。而将动态行走机器人的设计思想应用到含膝、踝关节的智能人工肢体中目前文献里还没有报道。 基于这样的思想，我们对人的动态行走进行了建模和仿真，结果证明动态行走模型相对于传统的静态行走模型，能量效率更高，步态更自然。于是我们设计了一款基于动态行走的多关节智能人工下肢，此人工下肢包括柔性的膝关节和踝关节。此外，这款人工下肢和健康肢体可以通过脚底的传感器实现对行走时序的闭环控制，人工下肢的膝关节状态由健康腿的状态决定。在研制出智能人工下肢原型后，我们让截肢患者进行了实际的试穿行走，结果表明该智能人工下肢可以使截肢患者步态更自然，行走更省力。

第十二届“挑战杯”作品 二等奖
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