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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 多關(guān)節(jié)智能人工下肢的設(shè)計(jì)及研究
- 小類：
- 機(jī)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(shè)計(jì)而成的，其膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)均為柔性設(shè)計(jì)。同時(shí)，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(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)對行走時(shí)序的閉環(huán)控制，使步態(tài)更自然，更高效，更穩(wěn)定。
- 詳細(xì)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(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(shí)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(jì)和實(shí)現(xiàn)中。如何實(shí)現(xiàn)高效且有交互的人工肢體成為機(jī)器人研究的一個(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)行走。含膝關(guān)節(jié)的新型智能人工下肢要求可以實(shí)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(shí)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(jì)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(shí)時(shí)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(shí)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(jì)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(bào)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(jì)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(shí)現(xiàn)對行走時(shí)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(shí)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。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 本作品的目的是解決傳統(tǒng)人工下肢純機(jī)械式、行走效率低，步態(tài)僵硬等缺點(diǎn)。為了解決這一難題，我們建立了力學(xué)模型，并以此為指導(dǎo)，對人工下肢進(jìn)行了機(jī)械設(shè)計(jì)。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(diào)。在膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)上我們都采用柔性設(shè)計(jì)，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(xué)性、先進(jìn)性
- 目前，傳統(tǒng)的人工下肢的踝關(guān)節(jié)都是固定的，即踝關(guān)節(jié)是不能彎曲轉(zhuǎn)動的。固定的踝關(guān)節(jié)由于不能在人的行走中像人的踝關(guān)節(jié)一樣進(jìn)行儲能和對人做功，所以很大程度上限制了截肢患者的運(yùn)動能力。傳統(tǒng)的人工下肢的膝關(guān)節(jié)主要有單軸膝關(guān)節(jié)、多軸膝關(guān)節(jié)、承重自鎖膝關(guān)節(jié)、液壓或氣壓膝關(guān)節(jié)。這些膝關(guān)節(jié)都是純機(jī)械式，沒有外部的感應(yīng)元件和控制電路，因此不能自主地協(xié)調(diào)人的步態(tài)。它們的運(yùn)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(fèi)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(xùn)練。 相對于傳統(tǒng)假肢，我們設(shè)計(jì)的人工下肢的各個(gè)關(guān)節(jié)均為柔性設(shè)計(jì)，提高了行走效率。加入了智能控制，使人工下肢能實(shí)時(shí)調(diào)整步態(tài)，使步態(tài)更自然，與人更協(xié)調(diào)。由于具有了智能，截肢患者在穿戴前不需要經(jīng)過訓(xùn)練，穿上就可以走。而且成本和傳統(tǒng)人工下肢的價(jià)格相當(dāng)。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 無
作品所處階段
- 已完成實(shí)驗(yàn)室階段，正在進(jìn)一步優(yōu)化控制系統(tǒng)。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 暫無
作品可展示的形式
- 實(shí)物、圖紙、圖片、錄像
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 截肢患者在穿戴這款智能人工下肢前，不需要經(jīng)過訓(xùn)練，穿上就可以行走。控制電路和電源通過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(shí)時(shí)調(diào)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(diào)。 該款人工下肢和傳統(tǒng)人工下肢成本相當(dāng)，填補(bǔ)了我國低價(jià)位智能人工下肢的空白。同時(shí)我們在這款人工下肢的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，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(bǔ)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(gè)部分是膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)。目前，傳統(tǒng)的人工下肢的踝關(guān)節(jié)都是固定的，即踝關(guān)節(jié)是不能彎曲轉(zhuǎn)動的。固定的踝關(guān)節(jié)由于不能在人的行走中像人的踝關(guān)節(jié)一樣進(jìn)行儲能和對人做功，所以很大程度上限制了截肢患者的運(yùn)動能力。傳統(tǒng)的人工下肢的膝關(guān)節(jié)主要有單軸膝關(guān)節(jié)、多軸膝關(guān)節(jié)、承重自鎖膝關(guān)節(jié)、液壓或氣壓膝關(guān)節(jié)。這些膝關(guān)節(jié)都是純機(jī)械式，沒有外部的感應(yīng)元件和控制電路，因此不能自主地協(xié)調(diào)人的步態(tài)。它們的運(yùn)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(fèi)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(xùn)練。 近年來，機(jī)器人學(xué)開始進(jìn)入人工肢體的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中。一些科研院所開始設(shè)計(jì)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(guān)節(jié)的智能機(jī)械腳。對于高位截肢患者穿戴的含有踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)智能人工下肢的研究仍處于初級階段。含膝關(guān)節(jié)的新型智能人工下肢要求可以實(shí)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。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(shí)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(jì)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。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(qū)動的智能肢體由于驅(qū)動器響應(yīng)時(shí)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(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(jì)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(bào)道。 基于這樣的思想，我們建立了人體力學(xué)模型并以此為指導(dǎo)設(shè)計(jì)了一款基于動態(tài)行走的多關(guān)節(jié)智能人工下肢。這款人工下肢的踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)都是柔性的，提高了人行走的能量效率。同時(shí)，我們還嘗試在膝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)中加入動力驅(qū)動，提出了第二種方案，使此款人工下肢不但能實(shí)現(xiàn)高效的動態(tài)行走，而且還能夠?qū)崿F(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(diào)膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動。同時(shí)，我們引入了健康肢體的運(yùn)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(jìn)行了實(shí)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。
