经股骨假肢机构是截肢患者恢复因截肢失去膝踝关节运动能力的辅助设备,为截肢患者进行自主性运动提供保障。国内对于经股骨假肢机构的研究较少,现有的膝踝假肢结构简单且运动功能单一,截肢患者长时间穿戴会造成不对称步态和残肢骨骼肌的二次伤害。国内假肢技术起步较晚,假肢技术水平的限制导致现有的膝踝假肢机构难以满足经股骨截肢患者对运动功能多样性的需求。如何提出具有运动功能多样化与对复杂路况自适应能力的假肢机构设计方法,以及实现其运动时能耗节约的目标,是假肢机构结构设计层面亟待解决的问题。此外,截肢患者与假肢机构融合后,如何评估人机交互过程中两者之间的兼容性,以及通过人体机能预测进行假肢机构的结构优化设计,是人机系统层面的重要问题。本文研究将恢复经股骨截肢患者失去的膝、踝关节自主运动能力作为设计目标。结合并联机构具有结构简单、承载性能强与多自由度等优点,提出一类具有拟人关节运动特性的并联机构的构型,形成一种构型新颖且具有机械式自适应能力的经股骨假肢机构设计方法。通过人体动力学仿真分析验证经股骨假肢机构结构设计的可行性和建模方法的正确性,探索人机交互时假肢机构对人体生理机能的影响,以人为本的前提下优化经股骨假肢机构的结构设计。基于三闭环PI的有限状态机控制系统在经股骨假肢机构应用进行研究。研究成果为多运动功能与自主适应能力的经股骨假肢机构设计提供可行方案,有利于促进便捷式可穿戴的经股骨假肢机构乃至医疗康复机构的发展。具体研究内容包括:多运动功能的经股骨假肢机构构型设计。基于步态实验测试平台完成健康受试者下肢关节运动和足底压力信号的采集与分析,以无球副并联机构作为支撑载体,提出串-并混联型的经股骨假肢机构设计方法,用以模仿膝踝关节多自由度运动特性。同时,串-并混联构型的设计可将踝足假肢机构脱离并应用于经胫骨截肢患者,使经股骨假肢机构面向多种截肢人群的应用。仿生能量装置与自适应模块的设计。基于人体下肢运动机理与骨骼能量产出的映射关系,开发符合膝关节步态节律的可穿戴能量离合器装置和基于多连杆机构的踝关节能量装置,实现经股骨假肢机构的连续性能量储存-释放,降低假肢工作的能耗并提高其自主柔顺性和抗冲击能力。机械自适应装置设计用以提升假肢对外部环境的自适应能力,实现人机模型运动过程中的相互协调,加强步行稳定效果。人机建模与交互分析。为探索经股骨假肢对截肢患者的健康状况影响,提出基于步态驱动的人机建模方法。与现有模型不同之处在于,该模型考虑骨骼肌、地面反力和能量消耗的相对贡献,更全面准确地探索模型在步行时人体生理指标,包括人体肌肉力、肌肉活度与新陈代谢,以及经股骨假肢机构的关节力矩与功率需求。以经济型人体代谢消耗为优化目标,建立关于下肢肌肉募集方法与假肢机构关节空间位置的优化数学模型,消除人机建模的关节位置误差,实现人体代谢消耗最小化情况下的假肢机构结构层面的改进设计。多运动功能的髋部步态模拟器平台搭建。为了解决未能找到合适经股骨截肢患者的难题,设计多运动功能的步态模拟装置,实现髋关节多自由度运动特性,模仿人体前行过程中的人体髋关节屈伸与内外翻运动。基于螺旋理论综合一类基于高刚度多自由度的髋部并联机构,运动学与动力学结果验证该并联机构可作为髋部模拟器,髋关节的屈伸与内外展运动模式可提供多样性的样机功能验证。控制系统设计与样机步行功能验证。设计基于三闭环PI的有限状态机控制系统,对经股骨假肢机构在支撑阶段的动力输出与步态周期内的关节位置控制进行追踪,仿真结果验证了理论计算的正确性,及应用于经股骨假肢机构的控制系统可行性。搭建经股骨假肢机构样机平台并制定控制系统设计方案,基于步态模拟器完成样机的多运动模式的功能验证,实验结果表明该样机的假膝与假踝关节能满足预期的多运动功能设计需求。