基本信息
- 項目名稱：
- 多關節(jié)智能人工下肢的設計及研究
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 此款智能人工下肢是基于人的動態(tài)行走原理設計而成的，其膝關節(jié)和踝關節(jié)均為柔性設計。同時，這款人工下肢具有一定的自學習能力，它可以通過自身的傳感器自主地判斷人行走的步態(tài)，并實時調整步態(tài)。它還可以通過腳底的傳感器和健康肢體進行信息交流，從而實現(xiàn)對行走時序的閉環(huán)控制，使步態(tài)更自然，更高效，更穩(wěn)定。
- 詳細介紹：
- 我國現(xiàn)有各類殘疾人總數(shù)已逾8000萬人，其中肢體殘疾者超過2400萬人。殘疾人士的康復工程已成為我國社會和諧發(fā)展的重要因素。國務院、衛(wèi)生部、民政部、中國殘聯(lián)等部門《關于進一步加強殘疾人康復工作的意見》，明確提出到2015年實現(xiàn)殘疾人“人人享有康復服務”的宏偉目標。因此，對殘疾人康復設備的研究將促進社會和諧發(fā)展，帶來巨大的社會效益和經濟效益。 人工肢體（假肢）是支持肢體截肢患者恢復運動能力的主要途徑。尤其對于下肢截肢患者，人工肢體可以幫助他們恢復行走等最基本的日常生活能力，使他們能回歸社會。傳統(tǒng)的人工下肢沒有和健康肢體的智能交互，僅僅是對人類下肢幾何形狀的單純模擬，性能欠佳。截肢患者穿戴傳統(tǒng)人工下肢后步態(tài)極不自然，行走相當吃力，且需要長期的訓練。隨著技術的發(fā)展，機器人學開始進入人工肢體的設計和實現(xiàn)中。如何實現(xiàn)高效且有交互的人工肢體成為機器人研究的一個熱點。目前對于智能肢體的最新研究主要集中在膝蓋以下的含踝關節(jié)的智能機械腳（ankle-foot prosthesis）。這些人工肢體均為獨立結構，其自主控制或人為控制主要依靠人工肢體本身，與健康肢體間并沒有交互。 對于高位截肢的患者依靠單純含腳踝關節(jié)的智能機械腳無法恢復行走能力。高位截肢患者穿戴的人工肢體必須包含踝關節(jié)和膝關節(jié)。傳統(tǒng)人工下肢的膝關節(jié)往往采用四桿機構等純機械結構。截肢患者在行走中需要人為用殘肢下壓人工下肢實現(xiàn)膝部彎曲。一般需要長期專門的訓練才能逐漸適應人工肢體實現(xiàn)行走。含膝關節(jié)的新型智能人工下肢要求可以實現(xiàn)支撐期自鎖定與解鎖以及擺動期間膝關節(jié)的控制。此外，為了提高運動功能，需要將開環(huán)控制增加反饋組成閉環(huán)控制的形式。一種解決方法是在膝關節(jié)增加主動驅動，通過主動控制實現(xiàn)對膝關節(jié)彎曲角度和力矩的軌跡跟蹤。這種方式和傳統(tǒng)主動控制雙足機器人的設計思想相似，即通過主動控制（電機、氣動人工肌肉等）對關節(jié)角度和角速度進行軌跡跟蹤，而期望軌跡根據(jù)人類行走參數(shù)而獲得。這類增加主動控制的智能下肢已經有商業(yè)產品問世。然而，這類智能肢體仍然以殘肢為核心，沒有與健康肢體的實時交互。另外，在人類正常行走中，小腿隨大腿自然擺動。增加膝部主動驅動的智能肢體由于驅動器響應時間和力矩要求等原因，往往能量效率較低。正是為了解決主動控制的雙足機器人的能量效率問題，基于動態(tài)行走機理的雙足機器人成為目前機器人界的研究熱點。而將動態(tài)行走機器人的設計思想應用到含膝、踝關節(jié)的智能人工肢體中目前文獻里還沒有報道。 基于這樣的思想，我們對人的動態(tài)行走進行了建模和仿真，結果證明動態(tài)行走模型相對于傳統(tǒng)的靜態(tài)行走模型，能量效率更高，步態(tài)更自然。于是我們設計了一款基于動態(tài)行走的多關節(jié)智能人工下肢，此人工下肢包括柔性的膝關節(jié)和踝關節(jié)。此外，這款人工下肢和健康肢體可以通過腳底的傳感器實現(xiàn)對行走時序的閉環(huán)控制，人工下肢的膝關節(jié)狀態(tài)由健康腿的狀態(tài)決定。在研制出智能人工下肢原型后，我們讓截肢患者進行了實際的試穿行走，結果表明該智能人工下肢可以使截肢患者步態(tài)更自然，行走更省力。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 本作品的目的是解決傳統(tǒng)人工下肢純機械式、行走效率低，步態(tài)僵硬等缺點。為了解決這一難題，我們建立了力學模型，并以此為指導，對人工下肢進行了機械設計。為了使人工下肢的步態(tài)更自然，我們加入了傳感器件、控制電路和執(zhí)行器件，使人工下肢具有了智能，使其與人的步態(tài)更協(xié)調。在膝關節(jié)和踝關節(jié)的設計上我們都采用柔性設計，大大提高了行走效率。在智能控制方面，我們引入了健康腿的信息，使控制更可靠安全。
科學性、先進性
- 目前，傳統(tǒng)的人工下肢的踝關節(jié)都是固定的，即踝關節(jié)是不能彎曲轉動的。固定的踝關節(jié)由于不能在人的行走中像人的踝關節(jié)一樣進行儲能和對人做功，所以很大程度上限制了截肢患者的運動能力。傳統(tǒng)的人工下肢的膝關節(jié)主要有單軸膝關節(jié)、多軸膝關節(jié)、承重自鎖膝關節(jié)、液壓或氣壓膝關節(jié)。這些膝關節(jié)都是純機械式，沒有外部的感應元件和控制電路，因此不能自主地協(xié)調人的步態(tài)。它們的運動完全靠截肢患者的殘肢和身體來控制，因此行走起來特別費力而且步態(tài)很不自然。另外，由于沒有智能，所以穿戴傳統(tǒng)人工下肢前，截肢患者需要長期的訓練。 相對于傳統(tǒng)假肢，我們設計的人工下肢的各個關節(jié)均為柔性設計，提高了行走效率。加入了智能控制，使人工下肢能實時調整步態(tài)，使步態(tài)更自然，與人更協(xié)調。由于具有了智能，截肢患者在穿戴前不需要經過訓練，穿上就可以走。而且成本和傳統(tǒng)人工下肢的價格相當。
獲獎情況及鑒定結果
- 無
作品所處階段
- 已完成實驗室階段，正在進一步優(yōu)化控制系統(tǒng)。
技術轉讓方式
- 暫無
作品可展示的形式
- 實物、圖紙、圖片、錄像
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 截肢患者在穿戴這款智能人工下肢前，不需要經過訓練，穿上就可以行走?？刂齐娐泛碗娫赐ㄟ^腰帶固定在截肢患者的腰部。通過腳底的傳感器，控制電路會實時調整人工下肢的動作，使截肢患者行走起來步態(tài)更自然協(xié)調。 該款人工下肢和傳統(tǒng)人工下肢成本相當，填補了我國低價位智能人工下肢的空白。同時我們在這款人工下肢的基礎上進行了改進，提出了第二種方案，這種方案中加入了動力，使殘疾人能完成上臺階，下蹲站立等動作，但成本較高，有望填補我國中高端智能人工下肢的空白。
同類課題研究水平概述
- 人工下肢最主要的兩個部分是膝關節(jié)和踝關節(jié)。目前，傳統(tǒng)的人工下肢的踝關節(jié)都是固定的，即踝關節(jié)是不能彎曲轉動的。固定的踝關節(jié)由于不能在人的行走中像人的踝關節(jié)一樣進行儲能和對人做功，所以很大程度上限制了截肢患者的運動能力。傳統(tǒng)的人工下肢的膝關節(jié)主要有單軸膝關節(jié)、多軸膝關節(jié)、承重自鎖膝關節(jié)、液壓或氣壓膝關節(jié)。這些膝關節(jié)都是純機械式，沒有外部的感應元件和控制電路，因此不能自主地協(xié)調人的步態(tài)。它們的運動完全靠截肢患者的殘肢和身體來控制，因此行走起來特別費力而且步態(tài)很不自然。另外，由于沒有智能，所以穿戴傳統(tǒng)人工下肢前，截肢患者需要長期的訓練。 近年來，機器人學開始進入人工肢體的設計和實現(xiàn)中。一些科研院所開始設計智能的人工下肢，然而最新的研究主要集中在膝蓋以下的含踝關節(jié)的智能機械腳。對于高位截肢患者穿戴的含有踝關節(jié)和膝關節(jié)智能人工下肢的研究仍處于初級階段。含膝關節(jié)的新型智能人工下肢要求可以實現(xiàn)支撐期自鎖定與解鎖以及擺動期間膝關節(jié)的控制。一種解決方法是在膝關節(jié)增加主動驅動，通過主動控制實現(xiàn)對膝關節(jié)彎曲角度和力矩的軌跡跟蹤。這種方式和傳統(tǒng)主動控制雙足機器人的設計思想相似，即通過主動控制（電機、氣動人工肌肉等）對關節(jié)角度和角速度進行軌跡跟蹤，而期望軌跡根據(jù)人類行走參數(shù)而獲得。但是由于人類在正常行走中，小腿是隨大腿自然擺動的，所以增加膝部主動驅動的智能肢體由于驅動器響應時間和力矩要求等原因，往往能量效率較低。為了解決主動控制的雙足機器人的能量效率問題，基于動態(tài)行走機理的雙足機器人成為目前機器人界的研究熱點。而將動態(tài)行走機器人的設計思想應用到含膝、踝關節(jié)的智能人工肢體中目前文獻里還沒有報道。 基于這樣的思想，我們建立了人體力學模型并以此為指導設計了一款基于動態(tài)行走的多關節(jié)智能人工下肢。這款人工下肢的踝關節(jié)和膝關節(jié)都是柔性的，提高了人行走的能量效率。同時，我們還嘗試在膝關節(jié)設計中加入動力驅動，提出了第二種方案，使此款人工下肢不但能實現(xiàn)高效的動態(tài)行走，而且還能夠實現(xiàn)上臺階，下蹲站立等更多功能。在智能控制方面，這款人工下肢可以通過自身的傳感器識別人的步態(tài)，并自主協(xié)調膝關節(jié)的運動。同時，我們引入了健康肢體的運動信息，使對人工下肢的控制更精確更安全。在研制出智能人工下肢原型后，我們讓截肢患者進行了實際的試穿行走，結果表明該智能人工下肢可以使截肢患者步態(tài)更自然，行走更省力。
