基于神经可塑性的人-智能下肢假肢融合基础理论和关键技术研究

How to realize intelligent robotic lower-limb transtibial prostheses attracts increasingly interests in the research community. Current main challenges include how to design biomimetic limb structure and use neural signals to obtain human locomotion intent. However, such unidirectional control from human to the prosthesis cannot investigate the insights of human motor control as a whole system and the effects of intelligent prosthesis on human neural system. In this project, we plan to study the basic theory and related techniques corresponding to neural plasticity based human-prosthesis integration. We propose a bionic lower-limb prosthesis, design a sensory substitution system to achieve bidirectional human-prosthesis control. The results of this project can be useful in understanding the relationship between intelligent lower-limb prosthesis and amputee's neural system from the view of neural plasticity. This project will bring promise for future real integration of human body and intelligent prosthesis.

如何实现引入机器人技术的智能下肢已成为国际研究热点。目前研究难点主要集中于如何设计更为仿生的智能肢体，以及利用生物信号来识别人的运动意图以期流畅地控制智能装置。但这种人和机器之间的单向控制不能真正把人机交互看作一个整体来研究，更不能了解到智能肢体对人的神经系统的影响。本项目拟着重解决基于神经可塑性的人-智能下肢融合的若干基础科学问题和关键技术问题，拟通过研制具有人体仿生学特性的智能下肢假肢、设计面向智能下肢控制的感知替代系统、建立基于人-假肢的神经闭环智能下肢控制模型，实现人和假肢在感知和运动控制上的全面交互。通过研究智能下肢和残疾人中枢神经系统的相互影响，探索其神经可塑性机理，为实现人和智能肢体的真正融合建立良好基础。

本项目通过研制具有人体仿生学特性的智能下肢假肢、设计面向智能下肢控制的感知替代系统、建立基于人-假肢的神经闭环智能下肢控制模型，实现人和假肢在感知和运动控制上的全面交互。通过研究智能下肢和残疾人感知和运动系统的相互影响，探索其神经可塑性机理，为实现人和智能肢体深度融合建立良好基础。项目主要研究内容集中在智能下肢假肢运动控制和感知替代研究。针对智能下肢假肢开展基于阻抗控制的关节运动控制，实现残疾人对复杂地形的自主适应。针对感知替代机制研究，探究不同路面条件下行走过程中的足底压力差异和足底压力-振动强度转换算法的比较，探究感知替代在具体感觉运动过程中的机制和效果，并以假肢使用者为被试完成了多项实验。项目研究取得系列成果，发表期刊论文25篇、国际会议论文9篇，获得中国发明专利授权3项、美国发明专利授权1项。