人体下肢机械式膝关节运动分析

20世纪前半期，以美国为代表的工业发达国家对人体下肢假肢技术开展了大规模地研究，为下肢假肢的理论和实践奠定了基础。特别20世纪70年代后期，世界各工业发达国家对机械式假肢结构不断改进，人工膝关节(腿)研制得到很大的发展。近年来由于以人体生物力学和生物医学工程解剖学研究为基础，将现代先进的微电子技术、计算机控制技术、机械设计与制造技术、新材料技术以及康复医学工程等学科交叉融合在一起，研究并开发出各种人工膝关节，使膝关节运动协调、步速随意变化、步态更加自然，能像健康的人腿一样行走自如。人体下肢假肢机械式人工膝关节如何实现膝关节的功能分析机械式人工膝关节在支撑期如何实现假肢的支撑稳定性以及在摆动期如何实现膝伸展肌和屈曲肌的作用，使人工膝关节运动形式得到有效控制的方法。     

人体下肢机械式膝关节运动分析

20世纪前半期,以美国为代表的工业发达国家对人体下肢假肢技术开展了大规模地研究,为下肢假肢的理论和实践奠定了基础.特别 20世纪 70年代后期,世界各工业发达国家对机械式假肢结构不断改进,人工膝关节(腿)研制得到很大的发展.近年来由于以人体生物力学和生物医学工程解剖学研究为基础,将现代先进的微电子技术、计算机控制技术、机械设计与制造技术、新材料技术以及康复医学工程等学科交叉融合在一起,研究并开发出各种人工膝关节,使膝关节运动协调、步速随意变化、步态更加自然,能像健康的人腿一样行走自如.人体下肢假肢机械式人工膝关节如何实现膝关节的功能分析机械式人工膝关节在支撑期如何实现假肢的支撑稳定性以及在摆动期如何实现膝伸展肌和屈曲肌的作用,使人工膝关节运动形式得到有效控制的方法.     

基于迭代学习控制智能下肢假肢研制:实现了对健肢步速的跟随

背景:传统下肢假肢通过手动方式将气压或者液压膝关节阻尼器调整到一种比较适宜的状态,行走状态改变时膝关节阻尼不能随之改变,假肢跟随性差,步速变化范围小.智能下肢假肢能够根据人体运动信息调整膝关节阻尼力,从而达到更加接近正常步态的效果.开发国内智能下肢假肢对提高国内残疾人生活质量有着重要的现实意义.目的:研制能够实现步速跟随功能的智能下肢假肢.方法:智能下肢假肢机械部分采用带固定式气缸阻尼器的四连杆机构,由四连杆后臂下轴的转动角度得出步行速度,依照迭代学习算法得出的知识库确定该步行速度下的针阀开度,通过永磁式直线步进电机作为执行器驱动针阀来控制缓冲气缸腔室间气道有效截面积来调整假肢摆动速度.结果与结论:实验结果显示,采用电位计作为检测手段不但能够获得步行速度,而且能够区分支撑期和摆动期.在不同速度下,智能下肢假肢膝关节最大摆动角度变化小于13°.提示智能下肢假肢能够识别步行速度,并根据步行速度调整膝关节摆动速度,实现了对健肢步行速度的跟随,为进一步的研究奠定了实验基础.     

基于人体步态的假肢膝关节运动控制方法研究

目的 提出一种针对所研发假肢膝关节的平地行走下的控制方法,使其能辅助膝关节截肢的患者以趋向于健康人的步态行走。 方法 在假肢膝关节上放置九轴惯性姿态传感器获取小腿倾斜角度,假肢连接管处放置压力传感器获取压力,组合两种信号判别步态相位。采用双直线电机分别控制相应针阀与单向阀配合的油路结构实现膝关节弯曲和伸展阻尼力矩的独立控制。通过直线电机推动针阀改变油路的通流面积,实现不同速度下膝关节阻尼力矩的控制。测试患者在跑步机上以2.0、3.6和4.2 km/h的步速行走,通过RealGait（三维步态与运动分析系统）记录数据。为降低绊倒风险,以摆动期最大膝关节屈曲角度65°为控制目标,允许误差为±5°。绝对对称性指标(ASI)＜10%为步态良好的评定指标。 结论 患者在不同步速的测试中,患者假肢膝关节屈曲最大角度均在62°左右, ASI分别为3%、6%、8.5%,均＜10%,步态对称性良好。大腿截肢患者表示身体负担有明显减轻。 结论 基于人体步态对液压假肢膝关节的阻尼进行实时控制的方法能够有效改善截肢患者的行走步态。     

单侧小腿截肢患者穿假肢后的步态运动学参数研究

目的 采用计算机辅助康复环境(CAREN)步态评估系统分析单侧小腿截肢患者穿假肢后的步态运动学参数,并分析其产生差异的原因。 方法 选取单侧小腿中段截肢但均装配假肢的受试者9例设为假肢组,同期选择健全受试者11例设为标准组,通过CAREN步态评估系统对2组受试者的步态运动学参数进行收集、处理、分析,并根据分析报告阐明产生差异原因。 结果 假肢组步态时相性指数为(0.88±0.04),其假肢侧的步长、支撑期百分比、髋关节支撑期最大伸展角度、膝关节支撑期最大屈曲角度、踝关节足跟着地背屈角度、踝关节支撑期最大背屈角度、踝关节支撑期最大跖屈角度与健侧比较,差异均有统计学意义(P<0.05）。假肢组假肢侧的步行速度、步态周期、跨步长、支撑期百分比、髋关节足跟落地屈髋角度、髋关节支撑期最大伸展角度、髋关节支撑期最大屈曲角度、膝关节足跟着地屈膝角度、踝关节足跟着地背屈角度、踝关节支撑期最大跖屈角度、踝关节支撑期最大背屈角度与标准组双侧均值比较,差异均有统计学意义(P<0.05）。 结论 单侧小腿截肢者穿戴假肢后步态时相对称性为（0.88±0.04）,假肢侧踝关节运动学参数显著弱于自身健侧,其时空与运动学参数也显著弱于健全人。     

一种智能膝关节假肢及其步态对称性评价

目的 提出一种评价智能膝关节假肢步态对称性的方法。方法 设计智能膝关节假肢样机AiKneeOne以及可穿戴式步态数据采集系统。以步态周期中第一次双脚支撑时间、单脚支撑时间、第二次双脚支撑时间和摆动相时间作为参数，计算对称指数(SI)和对称指标比率RⅠ、RⅡ评估步态对称性指标。5例健康人模拟穿戴AiKneeOne，以0.5、0.7、1.1 m/s速度在平板上行走，采用可穿戴式下肢步态数据采集系统采集数据，进行实测。结果 不同速度下，第一次双脚支撑和第二次双脚支撑时，SI和RⅡ绝对值较低、RⅠ接近1，对称性较好；单脚支撑和摆动相时，对称性有待提高。结论 智能膝关节假肢AiKneeOne具备重建截肢者步态的潜力，步态对称性指标可用于智能膝关节假肢穿戴性能评估测试。     

六连杆假肢膝关节优化设计

目的：假肢膝关节的设计对于膝上截肢者的安全与步态关系重大。为了改善膝上假肢穿戴者的步态,设计了六连杆假肢膝关节。方法：采用最优化设计使摆动相步态尽可能逼近正常步态;在结构设计上利用瞬停节特性使膝关节在支撑期有自锁功能并具有很强的抗干扰能力。结果：计算机仿真为踝关节运动轨迹均方误差不超过１．９６％。结论：该膝关节假肢在支撑期保持稳定性的同时,在摆动期内膝、踝关节运动轨迹,以及大小腿的角度变化关系相对于正常人具有很好的逼近效果,能够有效改善患者步态。     

基于有限状态机控制的智能假肢踝关节

背景：目前智能假肢只是考虑了膝关节的作用,假肢踝关节只是作为假肢膝关节的辅助工具,无法根据外部环境和步态的变化实现假肢自然的行走。目的：研制出可靠的智能假肢踝关节,有效改善截肢者的步态。方法：在阻尼可变式踝足假肢的基础上,提出了有限状态机的控制方法,对踝足步态进行了详细的划分,在每个步态内制定了相关的控制策略。结果与结论：实验结果表明,基于有限状态机控制的智能假肢踝关节能够有效的跟随健肢侧运动,能够适应不同的步速,为以后膝踝协调运动奠定了一定的实验基础。     

智能假腿膝关节的控制方法研究及发展趋势

<正>下肢假肢是下肢截肢患者用于支撑体重、代偿运动功能、恢复日常生活和工作的特殊器具~[1]。1986年中川昭夫等提出了基于微处理器的控制气动式摆动相的膝关节,并公开了这个技术。1990年英国布莱切福特公司获得了此项技术的许可,研制出来世界上第一款智能假肢:IP,这种膝关节使用了微处理器芯片以及传感器对步行进行控制~[2]。最初关节内置微处理器能控制步行周期中的支撑相或者摆动相关节阻尼,之后随着研发的进行,膝关节更加的智能,截肢者能以     

基于有限状态机的智能下肢假肢控制

背景:传统的下肢假肢行走状态改变时膝关节阻尼不能随之改变,假肢跟随性差,变化范围小。目的:基于有限状态机的智能下肢假肢控制方法,实现假肢侧对健肢侧的实时跟踪和步速跟随。方法:智能下肢假肢采用带固定式气缸阻尼器的四连杆机构,采用有限状态机的控制方法,感知当前的步态事件,触发步态状态的转变,调整对应的步态模式,得到步态规划的输出动作。结果与结论:实验结果表明,智能下肢假肢能够进行步速识别和步态识别,控制器输出不同的控制策略,控制步进电机调整膝关节阻尼的大小,假肢侧能够对健肢侧进行实时跟踪和步速跟随。