主动下肢假肢膝关节是目前国内外企业、高校、科研机构研究的热点,它旨在解决众多下肢截肢患者穿戴假肢以实现自然行走的迫切需求与性能不足的显著矛盾。但因我国主动下肢假肢产品匮乏、价格昂贵,在结构、驱动、人机控制等核心技术上存在发展瓶颈,较欧美发达国家之间存在很大差距,亟需突破。本文以“国家重点研发计划——膝踝一体化仿生智能下肢假肢关键技术与应用研究”课题为研究背景,通过分析人体膝关节的生物力学特性,设计下肢假肢膝关节的液压驱动系统,并对下肢假肢膝关节的主动液压驱动系统的控制算法进行研究,最终目标为研制出一种能耗低、环境适应性强、运动自然、成本低和可靠性高的主动驱动下肢假肢。具体内容如下:首先,简单介绍人体膝关节的结构及原理,分析人体行走的运动特点,并对其简化后的膝关节模型进行生物力学(运动学和动力学)分析,为下肢假肢膝关节结构及控制的设计提供了理论依据。其次,根据下肢假肢膝关节可以主动提供力矩并减小膝关节的体积及能耗的设计需求,提出采用摆动缸代替目前普遍使用的直线液压缸,设计下肢假肢膝关节直驱式液压驱动系统的工作原理图,进行相关液压元件参数的计算及选型,根据元件的型号进行膝关节液压集成阀块的设计,最终完成下肢假肢膝关节的结构设计。第三,建立直流无刷电机及泵控摆动缸系统的数学模型,并对直驱式液压驱动系统的稳定性进行分析,在常规PID的基础上,针对本课题的下肢假肢膝关节的直驱式液压驱动系统的控制特点,进行模糊PID控制器的设计,并利用MATLAB中的Simulink模块进行膝关节运动角度控制的仿真分析,对常规PID控制、模糊PID控制两种控制算法的结果进行仿真对比,表明模糊PID控制算法更能满足下肢假肢膝关节液压驱动系统的需要。最后,加工、装配、调试所设计的下肢假肢膝关节,设计下肢假肢膝关节液压驱动的控制系统,编写控制系统程序及角度监测软件,并进行下肢假肢膝关节液压驱动系统的实验,实验数据结果验证了下肢假肢膝关节的理论分析的正确性和所设计的直驱式液压驱动系统的可行性。