基于极限环原理的智能假腿主被动混合行走机理与控制方法

智能假腿的发展让截肢者自然、随意行走的梦想成为可能，但由于受到能源供给的限制，绝大部分假腿不能实现主动运动，只能作为残肢的负载被动的配合健侧肢体运动，为行走提供辅助支撑。这导致现有的智能假腿还不能完全模拟人腿运动的，步态不协调，不能在上楼梯、或上坡时提供驱动力，在意外情况下无法进行应急响应。针对研究中存在的以上问题，本项目提出了一种基于极限环稳定的低能耗、主被动混合行走智能假腿。首先建立人体运动参数映射模型与人体-假腿生物机电系统的动力学模型，依据上述模型，基于极限环稳定理论对假腿动力学参数进行了优化，实现了假腿依靠其自然动力学的被动行走。针对运动状态切换或应急响应等特殊情况导致的极限环失稳，研究了基于映射模型的具有普适性和个性化学习能力智能假腿的主动控制方法。实现了智能假腿的主被动混合行走和人机协同控制。

安装假肢是腿部残缺人群恢复行走的重要途径，可以增强患者的独立生活与工作能力。膝关节假肢对假肢的性能有重要的影响。当前市场上的大部分假肢膝关节均采用被动的阻尼结构，通过调整阻尼实现与正常腿相似的运动。但是，此类被动式膝关节假肢由于不能主动做功，不能帮助穿戴者实现上楼梯、上台阶等运动。提出一种具有主动驱动能力的膝关节假腿，建立人体-假腿-地面约束等组成的假腿系统的生物机电系统一体化模型，进行了基于能耗最低的假腿结构参数动力学优化。基于人体运动分析，建立了左右下肢膝关节运动参数间的映射模型，进行了基于映射模型的假肢控制方法研究。建立了假腿样机实验系统，并进行了假腿的映射控制实验，实验表明，假肢具有主动驱动能力，并能实现辅助穿戴者进行行走。