摘要
下肢假肢是膝上截肢患者恢复运动和生活的重要设备，对提高截肢患者生活质量、降低国家和社会负担具有重要意义。下肢假肢按照能否输出主动转矩分为被动假肢和动力假肢。被动膝关节假肢能跟随残肢自由运动，但不能提供主动扭矩，应用场景有限。动力膝关节假肢能够输出主动扭矩，具有更多的运动模式，但驱动系统存在低被动摩擦与高主动传动比难以兼容的问题，在关节自由摆动、低重量、大转矩输出之间无法取得平衡。此外，生物力学研究表明，人体下肢膝踝关节在行走过程中存在明显的关节间协同运动和能量传输关系。然而，现阶段大部分下肢膝踝关节假肢采用动力膝关节搭配动力踝关节的驱动方式，只关注关节间协同运动而忽略关节间能量传输，导致膝踝假肢中踝关节能耗偏高，尽管少部分膝踝关节假肢带有能量传输机构，但其系统复杂，存在运动干涉，限制了实际应用。因此，在国家重点研发计划资助下，本文针对当前下肢假肢存在的不足，基于人体下肢关节生物力学运动规律，重点突破电液动力下肢假肢的驱动原理设计、假肢系统集成、患者穿戴测试与分析等关键问题，主要研究内容与结论如下： （1）分析了下肢关节生物力学，提出了下肢假肢功能需求。分析不同活动能力截肢患者的假肢使用需求，建立了人体下肢多刚体运动模型以及逆向运动学模型，为下肢假肢设计、测试、分析奠定理论基础。分析了下肢关节运动中的生物力学运动规律，分别提出了膝关节假肢和膝踝一体化假肢的功能需求，为下肢假肢结构和驱动系统的设计提供理论依据。 （2）开展了电液动力膝关节假肢设计与优化。为解决当前动力膝关节假肢驱动方面的难兼容问题，提出了电液动力膝关节假肢（Electro-HydraulicPoweredKnee-1，EHPK-1）主被动一体化混合驱动原理，通过使用商业化的液压元件，实现快速开发和验证。在EHPK-1驱动系统基础上继续设计电液动力膝关节假肢（Electro-HydraulicPoweredKnee-2，EHPK-2），优化了电液驱动系统结构，最大传动比达到174：1，完善了传感及控制系统，实现了EHPK-2膝关节假肢的集成。 （3）实施了电液动力膝关节假肢性能测试与分析。完成了台架测试，EHPK-2驱动系统的最小阻尼力为3N，被动助伸转矩为4.42Nm，优于同类型膝关节假肢。开展了截肢患者运动测试，从步态对称性、关节角度和力矩等方面评估了EHPK-2的性能。水平行走时假肢膝关节被动屈曲最大角度约60°，交替上楼时主动峰值转矩超过60Nm。由此表明，EHPK-2具有被动假肢的灵活性、主动假肢的摆动稳定性以及主动假肢充足的转矩输出，突破了动力膝关节假肢低被动摩擦和高传动比之间难以兼容的问题。 （4）开展了膝踝一体化假肢设计与功能集成。针对膝踝关节假肢存在的缺少关节间能量传输、假肢踝关节能耗高等不足，基于人体膝踝关间的协同运动与能量传输机理，提出了电液动力膝踝一体化假肢（Electro-HydraulicPoweredKnee-Ankle，EHPKA）的主被动混合驱动原理，设计了联动、非联动、独立工作三种驱动方案。提出膝踝一体化假肢模块化设计方法，完成了EHPKA系统集成，其中膝关节重量为2.23kg，踝关节重量为1.09kg。EHPKA实现了关节间能量传输，使假肢具有重量轻、集成度高、适应性广等优点。针对不同工作模式，开发了水平行走控制器。为缩短假肢调试时间，设计了一款假肢运动控制APP。 （5）完成了膝踝一体化假肢适配与穿戴测试。在水平行走环境下，开展了电液动力膝踝一体化假肢EHPKA膝踝联动和非联动模式下的截肢者运动以及能量代谢测试。结果表明，通过膝踝联动，EHPKA假肢改善了截肢侧运动步态，地反力峰值提高了7.5%，髋关节力矩有效值降低了5.8%，同时EHPKA降低了患者代谢成本，其中耗氧量降低了4.0%，能量消耗速率降低了3.3%，而踝关节电能消耗仅为2.6W。最后，通过斜坡站立测试验证了EHPKA在不同坡度下均有良好的稳定支撑性能。 综上所述，本文提出的膝关节假肢电液主被动一体化驱动原理，解决了膝关节假肢低被动摩擦和高主动传动比的难兼容问题，实现了关节自由摆动和大转矩主动驱动的一体化集成，提出的膝踝一体化假肢主被动混合驱动原理以及模块化设计方法，解决了膝踝假肢关节间缺少能量传输、假肢踝关节能耗高的问题，同时增强了假肢适配穿戴的适应性和舒适性。
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