基于电液直驱的智能动力踝足假肢系统研究
发布时间：2021-09-03 16:11
世界范围内有数百万人遭受着下肢截肢的折磨,而现今的医学发展不足以再生肢体,因此使用踝足假肢是膝下截肢患者恢复基本的行动能力的必要手段。现有商业化的踝足假肢大多是被动的,通过弹性或阻性原件提供基本的支撑、小幅度的储能和适应能力,但不具备净功输出,与健全人体的踝关节功能相去甚远。人体的踝关节集缓冲、平衡、出力等功能于一身,生物领域的研究结果表明,踝关节主动出力功能的缺失会迫使穿戴被动假肢的截肢患者通过一系列的补偿运动来补偿脚跟着地时损失的动能,以达到稳定的行走速度。其结果就是截肢患者要消耗额外30%左右能量才能达到与健全人相同的步速,并且单侧截肢患者的步态也会发生畸变,严重影响其生活质量。电液直驱系统是广泛应用于航空航天领域的泵控液压伺服系统,具有高功率密度、高效率、结构紧凑等优点。本文的研究旨在利用电液直驱系统的优势和特点研制一款动力踝足假肢,能够较大程度地还原健全踝足肢体的各项功能,以满足膝下截肢患者的需求,恢复其正常的行走能力。本文从健全人体在平地行走时下肢的运动学和生物力学特性出发,根据踝关节在一个步态周期内所表现出的差异特性,以步态相位划分的方式进行分段研究。利用预采集的人体关节...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
改进型弹性储能踝足假肢（AnvancedESR），图片摘自[11]
，提升了使用者的舒适度[17]。除此之外，日本大阪大学为首的团队采用了磁流变阻尼技术，通过磁场控制阻尼器中特殊流体的黏度，进而达到改变踝关节阻尼的目的[18]，但该原型机并没有得到后续的商业化发展。范德堡大学的MichaelGoldfarb教授团队设计了一种非对称液电混合驱动器[19]，并以其为基础研制了一款结合了上述两种假肢的优点的，实现了可控液压锁和阻尼、平衡位置调节、低功耗复位等多种功能[20]。这种具有主动调节功能但不具备主动出力能力的智能假肢也被称为半主动智能假肢或稳定假肢（StabilizingBionicFoot）。图1-2半主动多功能踝足假肢半主动多功能智能假肢（PrimarilyPassiveMultifunctionDevices,PPMF）：（A）BlatchfordElanFoot（B）奥索ProprioFoot（C）范德堡大学PPMF原型机半主动式的假肢的出现一定程度上解决了截肢患者在行走过程中的姿态问题，扩展了其地形适应能力，但相比于健全人仍缺少关键性的关节驱动力。关节驱动力的缺失会给截肢患者的行走带来很多不利的影响。相比于健全人，截肢患者在行走的过程中会依据行走速度等因素的不同额外消耗10～60%的能量，舒适行走速度也会低11～40%[21]，为此，许多科研人员将研究方向转向了动力假肢。动力假肢采用电机驱动、气动或液压驱动等多种实现方式替代腓肠肌群来提供净出力，实现了踝关节的完整功能。由于高能耗导致的续航问题和集成众多传感器等智能零部件催生的高成本，智能动力下肢假肢目前还没有大规模商品化，只有iWalk公司的BiOM和SpringAvtive公司的Odyssey、JackSpring三款产品。尽管如此，智能动力假肢仍是对健全肢体还原度最高的解决方案，具有很高的科研价值和应用前景。1.2.1智能动力踝足假肢的国外研究现状在全球范围内，涉足智能动力假肢的研究团队主要集中在?
相并联的机械跟腱，实现了冠状面内的内番外翻等功能拓展[34]，额外的一颗电机使得系统有足够的功率余量去负担奔跑时所需的高功耗，因此，该团队也在SPARKy3的架构上初步试验了动力下肢假肢在奔跑、跳跃等场景中的应用[35]。该项目成功地商业化走向民用市场，并发展成了前文所述的Odyssey和JackSpring两款产品，实现了平地行走、奔跑、阶梯攀爬等功能，但遗憾的是，多自由度的功能并没有得到保留。除此之外，该团队（SpringActiveInc.）还研发了动力外骨骼、下肢矫正器、康复机器人等通用技术外延产品，均取得不俗的成果。图1-4亚利桑那州立大学、西点军校以及SpringActive公司联合研制的SPARKy系列动力踝足假肢原型机：(A)SPARKy1，(B)SPARKy2，(C)SPARKy3来自麻省理工学院（MIT）的HughHerr教授所带领的团队研发了前文所述的BiOM智能动力踝足假肢系统，该系统同样采用了高功率稀土伺服电机所构成的SEA作为驱动核心，还引入了单向并联叶片弹簧。虽然并联弹簧略微制约了上坡时的性能，但大幅度降低了电机的峰值功率，获得了极其优异的整体性能表现[36]。更重要的是，该系统在控制层面引入了神经肌肉模型和肌电信号输入，模拟截肢-5-
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于电静液作动原理的主动式踝关节假肢设计[J]. 王兴坚,李如飞,林长宏,方菁,王少萍. 液压与气动. 2019(01)
[2]基于生理步态的智能膝关节结构设计及训练方法研究[J]. 曹武警,魏小东,赵伟亮,孟巧玲,喻洪流. 生物医学工程学杂志. 2018(05)
[3]基于人体特征提取的模特体型尺寸自动测量方法[J]. 葛宝臻,郭华婷,彭博,田庆国,李云鹏. 纺织学报. 2012(04)
[4]中国残联发布我国最新残疾人口数据[J]. 赵燕潮. 残疾人研究. 2012(01)
[5]人体行走下肢生物力学研究[J]. 韩亚丽,王兴松. 中国科学:技术科学. 2011(05)
[6]McKibben气动人工肌肉技术的发展历程[J]. 张远深,刘明春,赵娜,何再龙,曾志钢. 液压与气动. 2008(07)
[7]两次全国残疾人抽样调查主要数据的比较与分析[J]. 田宝,张扬,邱卓英. 中国特殊教育. 2007(08)
[8]CIP-Ⅰ智能仿生人工腿步速测量系统研究与设计[J]. 谭冠政,何胜军,曾庆冬,闰炳雷,蔡光超. 计算机测量与控制. 2005(11)
[9]直驱式容积控制电液伺服系统[J]. 姜继海,苏文海,刘庆和. 军民两用技术与产品. 2003(09)
博士论文
[1]驱动—传感—结构一体的SMA人工骨骼肌生物灵感设计研究[D]. 张健军.上海交通大学 2014
本文编号：3381435
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
改进型弹性储能踝足假肢（AnvancedESR），图片摘自[11]
，提升了使用者的舒适度[17]。除此之外，日本大阪大学为首的团队采用了磁流变阻尼技术，通过磁场控制阻尼器中特殊流体的黏度，进而达到改变踝关节阻尼的目的[18]，但该原型机并没有得到后续的商业化发展。范德堡大学的MichaelGoldfarb教授团队设计了一种非对称液电混合驱动器[19]，并以其为基础研制了一款结合了上述两种假肢的优点的，实现了可控液压锁和阻尼、平衡位置调节、低功耗复位等多种功能[20]。这种具有主动调节功能但不具备主动出力能力的智能假肢也被称为半主动智能假肢或稳定假肢（StabilizingBionicFoot）。图1-2半主动多功能踝足假肢半主动多功能智能假肢（PrimarilyPassiveMultifunctionDevices,PPMF）：（A）BlatchfordElanFoot（B）奥索ProprioFoot（C）范德堡大学PPMF原型机半主动式的假肢的出现一定程度上解决了截肢患者在行走过程中的姿态问题，扩展了其地形适应能力，但相比于健全人仍缺少关键性的关节驱动力。关节驱动力的缺失会给截肢患者的行走带来很多不利的影响。相比于健全人，截肢患者在行走的过程中会依据行走速度等因素的不同额外消耗10～60%的能量，舒适行走速度也会低11～40%[21]，为此，许多科研人员将研究方向转向了动力假肢。动力假肢采用电机驱动、气动或液压驱动等多种实现方式替代腓肠肌群来提供净出力，实现了踝关节的完整功能。由于高能耗导致的续航问题和集成众多传感器等智能零部件催生的高成本，智能动力下肢假肢目前还没有大规模商品化，只有iWalk公司的BiOM和SpringAvtive公司的Odyssey、JackSpring三款产品。尽管如此，智能动力假肢仍是对健全肢体还原度最高的解决方案，具有很高的科研价值和应用前景。1.2.1智能动力踝足假肢的国外研究现状在全球范围内，涉足智能动力假肢的研究团队主要集中在?
相并联的机械跟腱，实现了冠状面内的内番外翻等功能拓展[34]，额外的一颗电机使得系统有足够的功率余量去负担奔跑时所需的高功耗，因此，该团队也在SPARKy3的架构上初步试验了动力下肢假肢在奔跑、跳跃等场景中的应用[35]。该项目成功地商业化走向民用市场，并发展成了前文所述的Odyssey和JackSpring两款产品，实现了平地行走、奔跑、阶梯攀爬等功能，但遗憾的是，多自由度的功能并没有得到保留。除此之外，该团队（SpringActiveInc.）还研发了动力外骨骼、下肢矫正器、康复机器人等通用技术外延产品，均取得不俗的成果。图1-4亚利桑那州立大学、西点军校以及SpringActive公司联合研制的SPARKy系列动力踝足假肢原型机：(A)SPARKy1，(B)SPARKy2，(C)SPARKy3来自麻省理工学院（MIT）的HughHerr教授所带领的团队研发了前文所述的BiOM智能动力踝足假肢系统，该系统同样采用了高功率稀土伺服电机所构成的SEA作为驱动核心，还引入了单向并联叶片弹簧。虽然并联弹簧略微制约了上坡时的性能，但大幅度降低了电机的峰值功率，获得了极其优异的整体性能表现[36]。更重要的是，该系统在控制层面引入了神经肌肉模型和肌电信号输入，模拟截肢-5-
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于电静液作动原理的主动式踝关节假肢设计[J]. 王兴坚,李如飞,林长宏,方菁,王少萍. 液压与气动. 2019(01)
[2]基于生理步态的智能膝关节结构设计及训练方法研究[J]. 曹武警,魏小东,赵伟亮,孟巧玲,喻洪流. 生物医学工程学杂志. 2018(05)
[3]基于人体特征提取的模特体型尺寸自动测量方法[J]. 葛宝臻,郭华婷,彭博,田庆国,李云鹏. 纺织学报. 2012(04)
[4]中国残联发布我国最新残疾人口数据[J]. 赵燕潮. 残疾人研究. 2012(01)
[5]人体行走下肢生物力学研究[J]. 韩亚丽,王兴松. 中国科学:技术科学. 2011(05)
[6]McKibben气动人工肌肉技术的发展历程[J]. 张远深,刘明春,赵娜,何再龙,曾志钢. 液压与气动. 2008(07)
[7]两次全国残疾人抽样调查主要数据的比较与分析[J]. 田宝,张扬,邱卓英. 中国特殊教育. 2007(08)
[8]CIP-Ⅰ智能仿生人工腿步速测量系统研究与设计[J]. 谭冠政,何胜军,曾庆冬,闰炳雷,蔡光超. 计算机测量与控制. 2005(11)
[9]直驱式容积控制电液伺服系统[J]. 姜继海,苏文海,刘庆和. 军民两用技术与产品. 2003(09)
博士论文
[1]驱动—传感—结构一体的SMA人工骨骼肌生物灵感设计研究[D]. 张健军.上海交通大学 2014
本文编号：3381435
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