基本信息
- 项目名称：
- 多关节智能人工下肢的设计及研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 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。
- 详细介绍：
- 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。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本作品的目的是解决传统人工下肢纯机械式、行走效率低，步态僵硬等缺点。为了解决这一难题，我们建立了力学模型，并以此为指导，对人工下肢进行了机械设计。为了使人工下肢的步态更自然，我们加入了传感器件、控制电路和执行器件，使人工下肢具有了智能，使其与人的步态更协调。在膝关节和踝关节的设计上我们都采用柔性设计，大大提高了行走效率。在智能控制方面，我们引入了健康腿的信息，使控制更可靠安全。
科学性、先进性
- 目前，传统的人工下肢的踝关节都是固定的，即踝关节是不能弯曲转动的。固定的踝关节由于不能在人的行走中像人的踝关节一样进行储能和对人做功，所以很大程度上限制了截肢患者的运动能力。传统的人工下肢的膝关节主要有单轴膝关节、多轴膝关节、承重自锁膝关节、液压或气压膝关节。这些膝关节都是纯机械式，没有外部的感应元件和控制电路，因此不能自主地协调人的步态。它们的运动完全靠截肢患者的残肢和身体来控制，因此行走起来特别费力而且步态很不自然。另外，由于没有智能，所以穿戴传统人工下肢前，截肢患者需要长期的训练。 相对于传统假肢，我们设计的人工下肢的各个关节均为柔性设计，提高了行走效率。加入了智能控制，使人工下肢能实时调整步态，使步态更自然，与人更协调。由于具有了智能，截肢患者在穿戴前不需要经过训练，穿上就可以走。而且成本和传统人工下肢的价格相当。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 已完成实验室阶段，正在进一步优化控制系统。
技术转让方式
- 暂无
作品可展示的形式
- 实物、图纸、图片、录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 截肢患者在穿戴这款智能人工下肢前，不需要经过训练，穿上就可以行走。控制电路和电源通过腰带固定在截肢患者的腰部。通过脚底的传感器，控制电路会实时调整人工下肢的动作，使截肢患者行走起来步态更自然协调。 该款人工下肢和传统人工下肢成本相当，填补了我国低价位智能人工下肢的空白。同时我们在这款人工下肢的基础上进行了改进，提出了第二种方案，这种方案中加入了动力，使残疾人能完成上台阶，下蹲站立等动作，但成本较高，有望填补我国中高端智能人工下肢的空白。
同类课题研究水平概述
- 人工下肢最主要的两个部分是膝关节和踝关节。目前，传统的人工下肢的踝关节都是固定的，即踝关节是不能弯曲转动的。固定的踝关节由于不能在人的行走中像人的踝关节一样进行储能和对人做功，所以很大程度上限制了截肢患者的运动能力。传统的人工下肢的膝关节主要有单轴膝关节、多轴膝关节、承重自锁膝关节、液压或气压膝关节。这些膝关节都是纯机械式，没有外部的感应元件和控制电路，因此不能自主地协调人的步态。它们的运动完全靠截肢患者的残肢和身体来控制，因此行走起来特别费力而且步态很不自然。另外，由于没有智能，所以穿戴传统人工下肢前，截肢患者需要长期的训练。 近年来，机器人学开始进入人工肢体的设计和实现中。一些科研院所开始设计智能的人工下肢，然而最新的研究主要集中在膝盖以下的含踝关节的智能机械脚。对于高位截肢患者穿戴的含有踝关节和膝关节智能人工下肢的研究仍处于初级阶段。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。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。但是由于人类在正常行走中，小腿是随大腿自然摆动的，所以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。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，我们建立了人体力学模型并以此为指导设计了一款基于动态行走的多关节智能人工下肢。这款人工下肢的踝关节和膝关节都是柔性的，提高了人行走的能量效率。同时，我们还尝试在膝关节设计中加入动力驱动，提出了第二种方案，使此款人工下肢不但能实现高效的动态行走，而且还能够实现上台阶，下蹲站立等更多功能。在智能控制方面，这款人工下肢可以通过自身的传感器识别人的步态，并自主协调膝关节的运动。同时，我们引入了健康肢体的运动信息，使对人工下肢的控制更精确更安全。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。
