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此款智能人工下肢是基于人的動態(tài)行走原理設(shè)計而成的，其膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)均為柔性設(shè)計。同時，這款人工下肢具有一定的自學(xué)習(xí)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(diào)整步態(tài)。它還可以通過腳底的傳感器和健康肢體進(jìn)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。

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(fù)工程已成為我國社會和諧發(fā)展的重要因素。國務(wù)院、衛(wèi)生部、民政部、中國殘聯(lián)等部門《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)殘疾人康復(fù)工作的意見》，明確提出到2015年實現(xiàn)殘疾人“人人享有康復(fù)服務(wù)”的宏偉目標(biāo)。因此，對殘疾人康復(fù)設(shè)備的研究將促進(jìn)社會和諧發(fā)展，帶來巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。 人工肢體（假肢）是支持肢體截肢患者恢復(fù)運(yùn)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(fù)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(dāng)吃力，且需要長期的訓(xùn)練。隨著技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人學(xué)開始進(jìn)入人工肢體的設(shè)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(jī)器人研究的一個熱點(diǎn)。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(guān)節(jié)的智能機(jī)械腳（ankle-foot prosthesis）。這些人工肢體均為獨(dú)立結(jié)構(gòu)，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(guān)節(jié)的智能機(jī)械腳無法恢復(fù)行走能力。高位截肢患者穿戴的人工肢體必須包含踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)。傳統(tǒng)人工下肢的膝關(guān)節(jié)往往采用四桿機(jī)構(gòu)等純機(jī)械結(jié)構(gòu)。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(xùn)練才能逐漸適應(yīng)人工肢體實現(xiàn)行走。含膝關(guān)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(guān)節(jié)的控制。此外，為了提高運(yùn)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(guān)節(jié)增加主動驅(qū)動，通過主動控制實現(xiàn)對膝關(guān)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(jī)器人的設(shè)計思想相似，即通過主動控制（電機(jī)、氣動人工肌肉等）對關(guān)節(jié)角度和角速度進(jìn)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(jīng)有商業(yè)產(chǎn)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(qū)動的智能肢體由于驅(qū)動器響應(yīng)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(jī)器人的能量效率問題，基于動態(tài)行走機(jī)理的雙足機(jī)器人成為目前機(jī)器人界的研究熱點(diǎn)。而將動態(tài)行走機(jī)器人的設(shè)計思想應(yīng)用到含膝、踝關(guān)節(jié)的智能人工肢體中目前文獻(xiàn)里還沒有報道。 基于這樣的思想，我們對人的動態(tài)行走進(jìn)行了建模和仿真，結(jié)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(shè)計了一款基于動態(tài)行走的多關(guān)節(jié)智能人工下肢，此人工下肢包括柔性的膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)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(guān)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(jìn)行了實際的試穿行走，結(jié)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。

第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品 二等獎
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