仿生腿的辅助作用对于恢复下肢截肢者的运动功能至关重要。与被动式仿生腿相比,动力仿生腿可以主动提供能量减少截肢者的消耗,并且提升截肢者运动的稳定性。常见的控制策略会根据截肢者不同的运动状态将其运动过程划分为不同阶段分别进行控制。在临床推广中,此类方法的配置工作会随着运动任务的增加而明显提升,并且在不同阶段之间切换中存在错误切换的安全隐患。因此本文通过分析正常人体腿部的运动轨迹,研究统一步态控制方法用于动力仿生腿的运动控制,主要研究工作如下:1.由于疾病事故而造成的大腿截肢的截肢者为了恢复正常的运动能力需要佩戴具有膝踝双关节的动力仿生腿。佩戴仿生腿的截肢者的运动过程近似于正常人体的双足运动,并且仿生腿的运动与截肢者的运动之间相互耦合。为了设计统一的步态控制策略,需要建立并分析仿生腿在使用过程中的动力学和运动学模型,常用的建模方法将仿生腿简化为二维模型忽略其侧向运动对系统的影响。因此,本文通过建立分析三维空间中仿生腿模型研究其复杂的动力学和运动学模型,分析其分段控制和耦合运动的原因。以此为仿生腿的统一步态控制打下坚实的理论基础。2.仿生腿辅助截肢者运动时需要配合患者运动来实现耦合运动,并且为了保证仿生腿运动过程的连续性,应采用统一的步态参数描述人体下肢的运动过程。因此,本文通过Vicon设备采集正常人体下肢在平地行走、上楼梯和下楼梯中的运动轨迹并对其进行分析研究,提出基于分段的步态参数化方法。采用髋关节在矢状面和冠状面中的运动轨迹设计人体运动的步态参数多项式,以此来描述截肢者的运动过程并作为仿生腿运动的驱动量,满足仿生腿与截肢者之间的耦合运动关系。3.针对仿生腿在运动过程中的混合动力学特性所产生的运动过程分段控制的问题,本文采用基于虚拟约束思想的混合零动力学的控制策略设计了用于仿生腿的运动控制器,并通过基于离散傅里叶变换的方法将正常人体的运动轨迹设计为关于步态参数的仿生腿运动的参考轨迹来满足仿生腿运动的仿生性和耦合运动的关系。4.在最后,本文通过在WEBOTS仿真软件中搭建的截肢者仿真模型验证了面向动力学仿生腿的统一步态控制方法在平地行走、上楼梯和下楼梯运动任务中有效性,研究并分析了该方法对截肢者在运动过程中影响。