安装假肢是当前下肢截肢患者恢复行走能力的唯一手段。对于膝上截肢患者来说,膝关节是其所穿戴下肢假肢系统最重要的关节组件。传统膝关节假肢作为纯机械系统,缺少类人行为的感知与交互控制系统,不能自动适应步速、步态时相和运动模式等步态的变化,造成穿戴者运动能力的降低、畸形步态以及能量消耗的增加。随着现代假肢学的进步,融合机械仿生、多源传感和主动控制的智能膝关节假肢,已经成为膝上截肢者提高行走能力、实现生理步态的重要手段。智能膝关节假肢研究的关键在于如何通过仿生系统建模和合适的智能控制方法,实现步态(相位、步速、运动模式)自适应。因此,本文拟进行步态自适应仿生膝关节假肢系统建模及智能控制方法研究,重点研究液压阻尼智能膝关节假肢系统建模,并基于运动学、力学信息建立适应不同人体、变化步速与运动模式的智能交互控制机理与方法。具体研究内容如下:(1)智能仿生膝关节结构及人机耦合动力学建模。通过阻尼型和动力型智能膝关节假肢工作特性与正常人膝关节工作机理对比研究,确定了阻尼仿生方式。进而对膝关节假肢结构特性和智能膝关节假肢不同类型阻尼特性进行研究,提出了基于液压阻尼的智能仿生膝关节假肢机械结构设计方法,重点研究了用于智能膝关节假肢阻尼力矩控制的电控液压阻尼缸结构。分别设计了单电机直推板式、单电机蝶形阀片式、单电机正交式、双电机扇形口式、双电机针阀式电控流量调节阻尼缸结构,研究分析不同电控液压阻尼缸结构特性,基于双电机针阀式电控流量调节阻尼缸进行了三维物理本体建模。通过下肢假肢系统摆动相人机耦合动力学建模和仿真分析,阐述了液压膝关节假肢阻尼力矩调节机理。(2)典型运动模式下智能膝关节步态变换机制与控制研究。通过传感信息来源分析和踝关节特殊腿管结构设计,构建了基于角度传感器、压力传感器、加速度计的硬件传感系统。通过正常人及假肢穿戴者行走步态相位研究,确定了智能膝关节假肢步态相位控制区间和目标,提出了基于运动学、力学信息的步态相位识别算法。通过不同运动模式下的下肢假肢穿戴者步态相位分析,提出了智能膝关节假肢在平地、上/下坡、上/下楼梯五种典型运动模式下的步态相位识别及液压阻尼控制方案。此外,又通过采集健康人髋膝关节角度数据,对下肢行走运动模式识别进行了仿真研究。通过基于BP、基于动量梯度的BP和基于改进的L-M反传算法的神经网络模型运动模式分类仿真分析,探究了基于下肢关节角度的运动模式识别神经网络算法的可行性。对比分析训练的学习率和误差率,发现L-M神经网络训练效果最佳,为以后智能膝关节假肢运动模式识别研究提供了参考。(3)膝关节假肢速度自适应智能控制算法研究。首先对基于足底压力和单侧脚掌着地时间的速度识别方案进行了对比分析,确定了基于单侧脚掌着地时间的行走速度识别方法。通过对健康人生理步态研究,提出了基于摆动相最大屈曲角度和摆动相关节角度复现的差异化控制目标的速度自适应控制算法。当膝关节假肢速度自适应控制目标为摆动相最大屈曲角度时,确定了其目标区间为60~70°,并建立了基于摆动相最大屈曲角度的模糊逻辑速度自适应控制算法。当控制目标为膝关节摆动相角度复现时,提出了基于NARX神经网络和微粒群优化的阀门开度预测控制算法,并对预测控制进行了摆动期仿真分析,证明了其良好的跟随效果。对比分析两种控制目标算法,确定了基于摆动相最大屈曲角度的模糊逻辑速度自适应算法作为实验样机控制算法。(4)智能膝关节性能测试实验研究。通过智能膝关节假肢性能评估研究现状总结,分析了智能膝关节假肢性能评估研究常用的时空参数、角度、力参数和生理参数。试制了液压阻尼型智能膝关节假肢实验样机,搭建了功能模拟与测试平台。首先进行了平台验证测试,证明其能较好地模拟人体下肢运动。然后基于该平台进行了智能膝关节假肢摆动相最大屈曲角度控制和对称性研究,揭示了不同速度下智能膝关节假肢实现生理步态阻尼调整的规律。最后进行了膝上截肢患者膝关节假肢穿戴测试对比研究,不同速度下的实验测试表明所提出的速度自适应智能控制算法可通过阀门开度的调节有效达到控制目标,并在偏爱行走速度、摆动相最大屈曲角度控制方面,相比传统膝关节假肢均具有更好的效果。本研究为步态自适应智能仿生膝关节假肢研究奠定了理论基础,实现了高性能智能膝关节假肢设计方法的创新,并有效推动智能下肢假肢技术的进步。