世界范圍內(nèi)有數(shù)百萬(wàn)人遭受著下肢截肢的折磨,而現(xiàn)今的醫(yī)學(xué)發(fā)展不足以再生肢體,因此使用踝足假肢是膝下截肢患者恢復(fù)基本的行動(dòng)能力的必要手段。現(xiàn)有商業(yè)化的踝足假肢大多是被動(dòng)的,通過(guò)彈性或阻性原件提供基本的支撐、小幅度的儲(chǔ)能和適應(yīng)能力,但不具備凈功輸出,與健全人體的踝關(guān)節(jié)功能相去甚遠(yuǎn)。人體的踝關(guān)節(jié)集緩沖、平衡、出力等功能于一身,生物領(lǐng)域的研究結(jié)果表明,踝關(guān)節(jié)主動(dòng)出力功能的缺失會(huì)迫使穿戴被動(dòng)假肢的截肢患者通過(guò)一系列的補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)來(lái)補(bǔ)償腳跟著地時(shí)損失的動(dòng)能,以達(dá)到穩(wěn)定的行走速度。其結(jié)果就是截肢患者要消耗額外30%左右能量才能達(dá)到與健全人相同的步速,并且單側(cè)截肢患者的步態(tài)也會(huì)發(fā)生畸變,嚴(yán)重影響其生活質(zhì)量。電液直驅(qū)系統(tǒng)是廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的泵控液壓伺服系統(tǒng),具有高功率密度、高效率、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。本文的研究旨在利用電液直驅(qū)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)研制一款動(dòng)力踝足假肢,能夠較大程度地還原健全踝足肢體的各項(xiàng)功能,以滿足膝下截肢患者的需求,恢復(fù)其正常的行走能力。本文從健全人體在平地行走時(shí)下肢的運(yùn)動(dòng)學(xué)和生物力學(xué)特性出發(fā),根據(jù)踝關(guān)節(jié)在一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)所表現(xiàn)出的差異特性,以步態(tài)相位劃分的方式進(jìn)行分段研究。利用預(yù)采集的人體關(guān)節(jié)... 

【文章來(lái)源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁(yè)數(shù)】：83 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

改進(jìn)型彈性儲(chǔ)能踝足假肢（AnvancedESR），圖片摘自[11]

，提升了使用者的舒適度[17]。除此之外，日本大阪大學(xué)為首的團(tuán)隊(duì)采用了磁流變阻尼技術(shù)，通過(guò)磁場(chǎng)控制阻尼器中特殊流體的黏度，進(jìn)而達(dá)到改變踝關(guān)節(jié)阻尼的目的[18]，但該原型機(jī)并沒(méi)有得到后續(xù)的商業(yè)化發(fā)展。范德堡大學(xué)的MichaelGoldfarb教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種非對(duì)稱液電混合驅(qū)動(dòng)器[19]，并以其為基礎(chǔ)研制了一款結(jié)合了上述兩種假肢的優(yōu)點(diǎn)的，實(shí)現(xiàn)了可控液壓鎖和阻尼、平衡位置調(diào)節(jié)、低功耗復(fù)位等多種功能[20]。這種具有主動(dòng)調(diào)節(jié)功能但不具備主動(dòng)出力能力的智能假肢也被稱為半主動(dòng)智能假肢或穩(wěn)定假肢（StabilizingBionicFoot）。圖1-2半主動(dòng)多功能踝足假肢半主動(dòng)多功能智能假肢（PrimarilyPassiveMultifunctionDevices,PPMF）：（A）BlatchfordElanFoot（B）奧索ProprioFoot（C）范德堡大學(xué)PPMF原型機(jī)半主動(dòng)式的假肢的出現(xiàn)一定程度上解決了截肢患者在行走過(guò)程中的姿態(tài)問(wèn)題，擴(kuò)展了其地形適應(yīng)能力，但相比于健全人仍缺少關(guān)鍵性的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力。關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力的缺失會(huì)給截肢患者的行走帶來(lái)很多不利的影響。相比于健全人，截肢患者在行走的過(guò)程中會(huì)依據(jù)行走速度等因素的不同額外消耗10～60%的能量，舒適行走速度也會(huì)低11～40%[21]，為此，許多科研人員將研究方向轉(zhuǎn)向了動(dòng)力假肢。動(dòng)力假肢采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)或液壓驅(qū)動(dòng)等多種實(shí)現(xiàn)方式替代腓腸肌群來(lái)提供凈出力，實(shí)現(xiàn)了踝關(guān)節(jié)的完整功能。由于高能耗導(dǎo)致的續(xù)航問(wèn)題和集成眾多傳感器等智能零部件催生的高成本，智能動(dòng)力下肢假肢目前還沒(méi)有大規(guī)模商品化，只有iWalk公司的BiOM和SpringAvtive公司的Odyssey、JackSpring三款產(chǎn)品。盡管如此，智能動(dòng)力假肢仍是對(duì)健全肢體還原度最高的解決方案，具有很高的科研價(jià)值和應(yīng)用前景。1.2.1智能動(dòng)力踝足假肢的國(guó)外研究現(xiàn)狀在全球范圍內(nèi)，涉足智能動(dòng)力假肢的研究團(tuán)隊(duì)主要集中在?

相并聯(lián)的機(jī)械跟腱，實(shí)現(xiàn)了冠狀面內(nèi)的內(nèi)番外翻等功能拓展[34]，額外的一顆電機(jī)使得系統(tǒng)有足夠的功率余量去負(fù)擔(dān)奔跑時(shí)所需的高功耗，因此，該團(tuán)隊(duì)也在SPARKy3的架構(gòu)上初步試驗(yàn)了動(dòng)力下肢假肢在奔跑、跳躍等場(chǎng)景中的應(yīng)用[35]。該項(xiàng)目成功地商業(yè)化走向民用市場(chǎng)，并發(fā)展成了前文所述的Odyssey和JackSpring兩款產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了平地行走、奔跑、階梯攀爬等功能，但遺憾的是，多自由度的功能并沒(méi)有得到保留。除此之外，該團(tuán)隊(duì)（SpringActiveInc.）還研發(fā)了動(dòng)力外骨骼、下肢矯正器、康復(fù)機(jī)器人等通用技術(shù)外延產(chǎn)品，均取得不俗的成果。圖1-4亞利桑那州立大學(xué)、西點(diǎn)軍校以及SpringActive公司聯(lián)合研制的SPARKy系列動(dòng)力踝足假肢原型機(jī)：(A)SPARKy1，(B)SPARKy2，(C)SPARKy3來(lái)自麻省理工學(xué)院（MIT）的HughHerr教授所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)研發(fā)了前文所述的BiOM智能動(dòng)力踝足假肢系統(tǒng)，該系統(tǒng)同樣采用了高功率稀土伺服電機(jī)所構(gòu)成的SEA作為驅(qū)動(dòng)核心，還引入了單向并聯(lián)葉片彈簧。雖然并聯(lián)彈簧略微制約了上坡時(shí)的性能，但大幅度降低了電機(jī)的峰值功率，獲得了極其優(yōu)異的整體性能表現(xiàn)[36]。更重要的是，該系統(tǒng)在控制層面引入了神經(jīng)肌肉模型和肌電信號(hào)輸入，模擬截肢-5-

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于電靜液作動(dòng)原理的主動(dòng)式踝關(guān)節(jié)假肢設(shè)計(jì)[J]. 王興堅(jiān),李如飛,林長(zhǎng)宏,方菁,王少萍.  液壓與氣動(dòng). 2019(01)
[2]基于生理步態(tài)的智能膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及訓(xùn)練方法研究[J]. 曹武警,魏小東,趙偉亮,孟巧玲,喻洪流.  生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志. 2018(05)
[3]基于人體特征提取的模特體型尺寸自動(dòng)測(cè)量方法[J]. 葛寶臻,郭華婷,彭博,田慶國(guó),李云鵬.  紡織學(xué)報(bào). 2012(04)
[4]中國(guó)殘聯(lián)發(fā)布我國(guó)最新殘疾人口數(shù)據(jù)[J]. 趙燕潮.  殘疾人研究. 2012(01)
[5]人體行走下肢生物力學(xué)研究[J]. 韓亞麗,王興松.  中國(guó)科學(xué):技術(shù)科學(xué). 2011(05)
[6]McKibben氣動(dòng)人工肌肉技術(shù)的發(fā)展歷程[J]. 張遠(yuǎn)深,劉明春,趙娜,何再龍,曾志鋼.  液壓與氣動(dòng). 2008(07)
[7]兩次全國(guó)殘疾人抽樣調(diào)查主要數(shù)據(jù)的比較與分析[J]. 田寶,張揚(yáng),邱卓英.  中國(guó)特殊教育. 2007(08)
[8]CIP-Ⅰ智能仿生人工腿步速測(cè)量系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J]. 譚冠政,何勝軍,曾慶冬,閏炳雷,蔡光超.  計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制. 2005(11)
[9]直驅(qū)式容積控制電液伺服系統(tǒng)[J]. 姜繼海,蘇文海,劉慶和.  軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品. 2003(09)

博士論文
[1]驅(qū)動(dòng)—傳感—結(jié)構(gòu)一體的SMA人工骨骼肌生物靈感設(shè)計(jì)研究[D]. 張健軍.上海交通大學(xué) 2014



本文編號(hào)：3381435