智能下肢假肢运动意图的感测与识别关键技术研究
发布时间：2021-08-10 07:29
下肢截肢会给患者行动造成障碍,尤其是膝关节以上部位截肢会严重影响其行动能力,给其家庭和社会带来沉重的负担。佩戴性能优异的假肢能极大地提高截肢患者的行动能力,提高患者的社会活动参与度。当前,由于被动假肢成本低,被动假肢是目前使用最广泛的假肢。但是佩戴被动假肢的患者使用时往往步态不自然、行走能量消耗大,且难以实现在不同地形下顺畅行走。智能下肢假肢通过检测外部行走环境和识别人的运动意图,能够自动适应外部行走环境,使佩戴者步态更加自然,行走更加省力,从而能更好地代偿缺失的行动能力。目前,动力（主动）下肢假肢是智能下肢假肢中的研究热点,由于它具备动力输出,能更好地代偿下肢截肢者缺失的功能。但现有的动力型下肢假肢系统通常需要截肢者通过减速、停下、按压电子开关或者做出与行走不相关的肢体动作（如夸张的臀部伸展或向前/向后摇摆假肢等）来检测截肢者的行走模式意图,实现不同步态控制策略的转换。这种非直觉的控制方式无法实现假肢在不同地形之间的稳定、顺畅和自然地行走。为了弥补这一不足,下肢假肢需要在感知外部环境的同时理解人的运动意图,控制假肢本体以合适的步态行走。这就需要解决运动意图识别这一关键问题,实现假肢与...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院)广东省
【文章页数】：155 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
残疾人口统计图:(A)我国残疾人口分布（2010年统计）；(B)我国下肢截肢人
绪论7第一阶段：原始萌芽阶段。这一阶段主要表现为使用最原始的材料制作假肢，如木头，动物皮革，动物的角、筋等。国外可考的最早的假肢可追溯到约3000年前，古埃及人使用木头和皮革制作了一个大脚趾，这是最早的功能性假肢[30]。国内可考的最早的假肢，可追溯到2000多年前，考古学家在新疆吐鲁番金盛店发现了使用杨木、牛角、马蹄、牛皮等制成的假脚[31]。对于实现难度较大的膝上假肢，则出现在古罗马时代。由于技术条件限制，这一阶段的假肢功能十分原始，难以为佩戴者提供稳定的支撑。第二阶段：文艺复兴时期，外观和机械结构快速发展阶段。文艺复兴时期的科技和艺术使得假肢在机构和外观上和真实的肢体具有很高的相似度。由于将铰链应用于关节上，关节功能上有了很大的进步。如在被称为“现代外科学之父”的AmbroiseParé的手稿中就有外观和结构都十分精巧的假肢结构图（图1.2），这和现代假肢几乎没有太大差别。但这一阶段，由于材料只限于金属（铜、铁）、木质、皮革等，在假肢接受腔以及假肢固定上存在问题，假肢质量沉重，与残肢接触部分不够柔软，容易引起残肢损伤，无法实现长时间舒适佩戴。图1.2AmbroiseParé书籍中关于下肢假肢的插图Fig.1.2IllustrationsoflowerlimbprosthesesinAmbroiseparé"sbook第三阶段：二次世界大战后，新型材料的使用和结构的改进阶段。这使得佩戴的舒适性和步态得到改善。主要表现：一是材料上碳纤维和生物材料（如硅胶）的使用。钢结构强度高但太重，铝合金重量轻但强度差。相比之下，碳纤维不但质量轻而且具有较好的强度和韧性，因此能制作质量小具有弹性且坚
绪论91.2.1下肢假肢关节及系统方面国外：以德国、英国、美国和冰岛几个国家为首，代表了当前世界最先进的商业化假肢（图1.3）。德国Ottobock公司典型的产品C-Leg和Genium是当前使用最多的半主动下肢假肢，是世界上智能仿生假肢的里程碑产品。这两款假肢通过内置的各种传感器对膝关节的角度、负荷等关键参数进行采样，实时监测用户的步态周期和行走状态，既保证了摆动期灵活自然，有使得在支撑期安全可靠。C-Leg单轴液压阻尼通过电机控制流量控制阀的开度，来改变膝关节弯曲和伸展的阻尼，通过有限状态机控制方法实现了膝关节的弯曲和伸展，行走速度能随着患者步行速度的变化而变化[35]。而冰岛Ossur公司的PowerKnee下肢假肢则是当前世界上唯一商业化的动力型假肢，作为一种高度智能的主动膝关节假肢，它通过监测健康腿关节运动信息和足底压力，使得POWERKNEE能够跟随患者健侧肢体的行走步态，并根据健侧的行走速度、步幅、步频以及不同地形自动进行实时调整[35]，使得患者佩戴后能够自然行走，大大改善了其行走步态。图1.3典型假肢：（A）Ottobock公司的C-Leg假肢；（B）Ossur公司的PowerKnee假肢；（C）Elite公司的Linx假肢Fig.1.3Typicalprostheses.（A）C-LegofOttobock;（B）PowerKneeofOssur;（C）LinxofElite国内：我国在智能假肢的研究开始于20世纪80年代初，起步相对较晚，但发展十分迅速。例如，清华大学的王人成、金德闻等人设计并尝试了利用肌
【参考文献】：
期刊论文
[1]应用二维激光雷达的地形识别系统设计[J]. 张燕,赵会民,刘作军,杨鹏. 红外与激光工程. 2018(08)
[2]下肢截肢者行走意图识别方法研究进展[J]. 王蕾,王辉,黄品高,林闯,郑悦,魏月,郭欣,李光林. 自动化学报. 2018(08)
[3]基于激光距离传感器的路况识别系统的设计[J]. 张燕,许京,陈玲玲,刘作军. 激光与红外. 2016(03)
[4]假肢智能膝关节的研究现状和发展趋势[J]. 王振平,喻洪流,杜妍辰,曹武警,胡杰. 生物医学工程学进展. 2015(03)
[5]人体下肢生物力学建模研究进展[J]. 邵明旭,王斐,殷腾龙,刘健. 智能系统学报. 2015(04)
[6]BP神经网络大腿截肢者运动模式识别[J]. 刘磊,杨鹏,刘作军,耿艳利. 计算机仿真. 2014(05)
[7]智能下肢假肢关键技术研究进展[J]. 杨鹏,刘作军,耿艳利,赵丽娜. 河北工业大学学报. 2013(01)
[8]我国假肢技术的研究与进展[J]. 王人成. 中国康复医学杂志. 2012(11)
[9]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)
[10]基于柔性迭代学习控制的专家系统研究与应用[J]. 刘作军,张洁,杨鹏,陈玲玲. 合肥工业大学学报(自然科学版). 2009(11)
本文编号：3333752
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院)广东省
【文章页数】：155 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
残疾人口统计图:(A)我国残疾人口分布（2010年统计）；(B)我国下肢截肢人
绪论7第一阶段：原始萌芽阶段。这一阶段主要表现为使用最原始的材料制作假肢，如木头，动物皮革，动物的角、筋等。国外可考的最早的假肢可追溯到约3000年前，古埃及人使用木头和皮革制作了一个大脚趾，这是最早的功能性假肢[30]。国内可考的最早的假肢，可追溯到2000多年前，考古学家在新疆吐鲁番金盛店发现了使用杨木、牛角、马蹄、牛皮等制成的假脚[31]。对于实现难度较大的膝上假肢，则出现在古罗马时代。由于技术条件限制，这一阶段的假肢功能十分原始，难以为佩戴者提供稳定的支撑。第二阶段：文艺复兴时期，外观和机械结构快速发展阶段。文艺复兴时期的科技和艺术使得假肢在机构和外观上和真实的肢体具有很高的相似度。由于将铰链应用于关节上，关节功能上有了很大的进步。如在被称为“现代外科学之父”的AmbroiseParé的手稿中就有外观和结构都十分精巧的假肢结构图（图1.2），这和现代假肢几乎没有太大差别。但这一阶段，由于材料只限于金属（铜、铁）、木质、皮革等，在假肢接受腔以及假肢固定上存在问题，假肢质量沉重，与残肢接触部分不够柔软，容易引起残肢损伤，无法实现长时间舒适佩戴。图1.2AmbroiseParé书籍中关于下肢假肢的插图Fig.1.2IllustrationsoflowerlimbprosthesesinAmbroiseparé"sbook第三阶段：二次世界大战后，新型材料的使用和结构的改进阶段。这使得佩戴的舒适性和步态得到改善。主要表现：一是材料上碳纤维和生物材料（如硅胶）的使用。钢结构强度高但太重，铝合金重量轻但强度差。相比之下，碳纤维不但质量轻而且具有较好的强度和韧性，因此能制作质量小具有弹性且坚
绪论91.2.1下肢假肢关节及系统方面国外：以德国、英国、美国和冰岛几个国家为首，代表了当前世界最先进的商业化假肢（图1.3）。德国Ottobock公司典型的产品C-Leg和Genium是当前使用最多的半主动下肢假肢，是世界上智能仿生假肢的里程碑产品。这两款假肢通过内置的各种传感器对膝关节的角度、负荷等关键参数进行采样，实时监测用户的步态周期和行走状态，既保证了摆动期灵活自然，有使得在支撑期安全可靠。C-Leg单轴液压阻尼通过电机控制流量控制阀的开度，来改变膝关节弯曲和伸展的阻尼，通过有限状态机控制方法实现了膝关节的弯曲和伸展，行走速度能随着患者步行速度的变化而变化[35]。而冰岛Ossur公司的PowerKnee下肢假肢则是当前世界上唯一商业化的动力型假肢，作为一种高度智能的主动膝关节假肢，它通过监测健康腿关节运动信息和足底压力，使得POWERKNEE能够跟随患者健侧肢体的行走步态，并根据健侧的行走速度、步幅、步频以及不同地形自动进行实时调整[35]，使得患者佩戴后能够自然行走，大大改善了其行走步态。图1.3典型假肢：（A）Ottobock公司的C-Leg假肢；（B）Ossur公司的PowerKnee假肢；（C）Elite公司的Linx假肢Fig.1.3Typicalprostheses.（A）C-LegofOttobock;（B）PowerKneeofOssur;（C）LinxofElite国内：我国在智能假肢的研究开始于20世纪80年代初，起步相对较晚，但发展十分迅速。例如，清华大学的王人成、金德闻等人设计并尝试了利用肌
【参考文献】：
期刊论文
[1]应用二维激光雷达的地形识别系统设计[J]. 张燕,赵会民,刘作军,杨鹏. 红外与激光工程. 2018(08)
[2]下肢截肢者行走意图识别方法研究进展[J]. 王蕾,王辉,黄品高,林闯,郑悦,魏月,郭欣,李光林. 自动化学报. 2018(08)
[3]基于激光距离传感器的路况识别系统的设计[J]. 张燕,许京,陈玲玲,刘作军. 激光与红外. 2016(03)
[4]假肢智能膝关节的研究现状和发展趋势[J]. 王振平,喻洪流,杜妍辰,曹武警,胡杰. 生物医学工程学进展. 2015(03)
[5]人体下肢生物力学建模研究进展[J]. 邵明旭,王斐,殷腾龙,刘健. 智能系统学报. 2015(04)
[6]BP神经网络大腿截肢者运动模式识别[J]. 刘磊,杨鹏,刘作军,耿艳利. 计算机仿真. 2014(05)
[7]智能下肢假肢关键技术研究进展[J]. 杨鹏,刘作军,耿艳利,赵丽娜. 河北工业大学学报. 2013(01)
[8]我国假肢技术的研究与进展[J]. 王人成. 中国康复医学杂志. 2012(11)
[9]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)
[10]基于柔性迭代学习控制的专家系统研究与应用[J]. 刘作军,张洁,杨鹏,陈玲玲. 合肥工业大学学报(自然科学版). 2009(11)
本文编号：3333752
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/zidonghuakongzhilunwen/3333752.html
