世界范圍內(nèi)有數(shù)百萬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)基本的行動能力的必要手段�，F(xiàn)有商業(yè)化的踝足假肢大多是被動的,通過彈性或阻性原件提供基本的支撐、小幅度的儲能和適應(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)主動出力功能的缺失會迫使穿戴被動假肢的截肢患者通過一系列的補償運動來補償腳跟著地時損失的動能,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。本文的研究旨在利用電液直驅(qū)系統(tǒng)的優(yōu)勢和特點研制一款動力踝足假肢,能夠較大程度地還原健全踝足肢體的各項功能,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下肢的運動學(xué)和生物力學(xué)特性出發(fā),根據(jù)踝關(guān)節(jié)在一個步態(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

【文章頁數(shù)】：83 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

改進(jìn)型彈性儲能踝足假肢（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)為首的團隊采用了磁流變阻尼技術(shù)，通過磁場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]，但該原型機并沒有得到后續(xù)的商業(yè)化發(fā)展。范德堡大學(xué)的MichaelGoldfarb教授團隊設(shè)計了一種非對稱液電混合驅(qū)動器[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)點的，實現(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]。這種具有主動調(diào)節(jié)功能但不具備主動出力能力的智能假肢也被稱為半主動智能假肢或穩(wěn)定假肢（StabilizingBionicFoot）。圖1-2半主動多功能踝足假肢半主動多功能智能假肢（PrimarilyPassiveMultifunctionDevices,PPMF）：（A）BlatchfordElanFoot（B）奧索ProprioFoot（C）范德堡大學(xué)PPMF原型機半主動式的假肢的出現(xiàn)一定程度上解決了截肢患者在行走過程中的姿態(tài)問題，擴展了其地形適應(yīng)能力，但相比于健全人仍缺少關(guān)鍵性的關(guān)節(jié)驅(qū)動力。關(guān)節(jié)驅(qū)動力的缺失會給截肢患者的行走帶來很多不利的影響。相比于健全人，截肢患者在行走的過程中會依據(jù)行走速度等因素的不同額外消耗10～60%的能量，舒適行走速度也會低11～40%[21]，為此，許多科研人員將研究方向轉(zhuǎn)向了動力假肢。動力假肢采用電機驅(qū)動、氣動或液壓驅(qū)動等多種實現(xiàn)方式替代腓腸肌群來提供凈出力，實現(xiàn)了踝關(guān)節(jié)的完整功能。由于高能耗導(dǎo)致的續(xù)航問題和集成眾多傳感器等智能零部件催生的高成本，智能動力下肢假肢目前還沒有大規(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，智能動力假肢仍是對健全肢體還原度最高的解決方案，具有很高的科研價值和應(yīng)用前景。1.2.1智能動力踝足假肢的國外研究現(xiàn)狀在全球范圍內(nèi)，涉足智能動力假肢的研究團隊主要集中在?

相并聯(lián)的機械跟腱，實現(xiàn)了冠狀面內(nèi)的內(nèi)番外翻等功能拓展[34]，額外的一顆電機使得系統(tǒng)有足夠的功率余量去負(fù)擔(dān)奔跑時所需的高功耗，因此，該團隊也在SPARKy3的架構(gòu)上初步試驗了動力下肢假肢在奔跑、跳躍等場景中的應(yīng)用[35]。該項目成功地商業(yè)化走向民用市場，并發(fā)展成了前文所述的Odyssey和JackSpring兩款產(chǎn)品，實現(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有得到保留。除此之外，該團隊（SpringActiveInc.）還研發(fā)了動力外骨骼、下肢矯正器、康復(fù)機器人等通用技術(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)、西點軍校以及SpringActive公司聯(lián)合研制的SPARKy系列動力踝足假肢原型機：(A)SPARKy1，(B)SPARKy2，(C)SPARKy3來自麻省理工學(xué)院（MIT）的HughHerr教授所帶領(lǐng)的團隊研發(fā)了前文所述的BiOM智能動力踝足假肢系統(tǒng)，該系統(tǒng)同樣采用了高功率稀土伺服電機所構(gòu)成的SEA作為驅(qū)動核心，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的性能，但大幅度降低了電機的峰值功率，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輸入，模擬截肢-5-

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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博士論文
[1]驅(qū)動—傳感—結(jié)構(gòu)一體的SMA人工骨骼肌生物靈感設(shè)計研究[D]. 張健軍.上海交通大學(xué) 2014



本文編號：3381435