基于电液直驱的膝关节设计与下肢假肢控制研究.pdfVIP

摘要

目前，下肢截肢患者通常通过穿戴假肢来恢复一定的运动能力，被动假肢

不能够为穿戴者提供驱动力。在使用过程中，穿戴者需要由其他健康的关节来

代偿缺失肢体需要输出的能量。因此，穿戴被动假肢的人在运动时相比健全人

体会消耗更多的能量。本文在分析国内外下肢假肢的基础上，设计一款符合人

体生物学的下肢膝关节假肢，并结合本团队已有的踝关节假肢，进一步研究下

肢假肢的控制方法。

本文从健康人体膝关节结构与行走过程中的下肢步态出发，探究行走过程

中不同步态阶段时膝关节运动学和动力学特性，以及膝关节的能量特性。根据

仿生学原理，确立了模拟健康人体膝关节运动瞬心轨迹的设计规则，保留膝关

节支撑期稳定与摆动期灵活的优点。使用四杆机构来作为膝关节假肢的机械结

构，采用遗传算法求解四杆机构参数，并设计了瞬心轨迹验证软件，使设计过

程标准化。通过运动学与动力学的计算和仿真，设计了一款采用电液直驱系统

的膝关节假肢。通过对膝关节假肢和下肢假肢整体仿真，来验证膝关节假肢的

设计与模糊PID控制方法的效果。仿真结果显示，该膝关节假肢及其控制方法

可以实现主动为穿戴者提供驱动力的功能。采用支持向量机算法实现对人体运

动意图的识别，根据下肢所放置的IMU传感器采集到的加速度信号来训练模

型，可以达到96%的准确率。为验证膝关节假肢的性能，设计实验台架进行阶

跃信号响应实验、正弦信号响应实验和预采样角度信号跟踪实验。实验结果显

示，膝关节假肢可以满足人体正常运动的需求。

关键词:膝关节假肢；电液直驱；模糊PID；意图识别；膝踝联动

Abstract

Currently,lowerlimbamputeesusuallyregainsomemobilitybywearinga

prosthesis,apassiveprosthesisthatisnotcapableofprovidingthewearerwith

propulsion.Duringuse,thewearerneedsotherhealthyjointstocompensateforthe

energyprovidedbythemissinglimb.Therefore,wearersofpassiveprostheses

expendmoreenergyduringexercisethanable-bodiedpeople.Inthispaper,based

ontheanalysisoflowerlimbprosthesesathomeandabroad,weaimtodesigna

lowerlimbkneejointprosthesisthatconformstohumanbiology,andfurtherstudy

thecontrolmethodoflowerlimbprosthesisbycombiningitwiththeanklejoint

prosthesisalreadyavailableinourteam.

Thispaperinvestigatesthekinematicandkineticpropertiesofthekneejointas

wellastheenergeticpropertiesofthekneejointduringdifferentgaitphasesof

walking,startingfromthestructureofthekneejointandthelowerlimbgaitduring

walkinginhealthyhumans.Followingtheprincipleofbionic