智能仿生踝足的研究進(jìn)展及展望

杜婷婷　寧祎　杜挺豪

摘 要：通過對(duì)國內(nèi)外各機(jī)構(gòu)對(duì)智能仿生踝足的研究進(jìn)行總結(jié)，對(duì)仿生踝足的未來發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。目前，對(duì)踝足的研究大多是基于殘疾人穿戴的假肢，而用于仿人機(jī)器人的踝足研究少之又少，仿人機(jī)器人作為未來重要的發(fā)展對(duì)象，其仿生踝足的設(shè)計(jì)將成為智能仿生踝足的又一新的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：假肢；仿生踝足；仿人機(jī)器人

引言

仿生技術(shù)在不斷發(fā)展，假肢腳技術(shù)也在持續(xù)提高中。最近假肢研究人員認(rèn)為要解決的關(guān)鍵而緊迫的問題是“模仿人類全部的腳踝行為”，這就有了仿生踝足的開發(fā)。大多數(shù)仿生踝足目前仍在研究開發(fā)水平，極少數(shù)裝置已經(jīng)商業(yè)化。

1 國外的發(fā)展

按照驅(qū)動(dòng)方式，仿生智能踝足的研究可以分為液壓型、氣動(dòng)型、電動(dòng)型三種。

1.1 液壓型

日本大阪大學(xué)某實(shí)驗(yàn)室的科研人員采用磁流變阻尼控制原理，開發(fā)了一種被動(dòng)踝關(guān)節(jié)假肢[1]，其主要結(jié)構(gòu)是一個(gè)裝有磁流變液的液壓缸，結(jié)構(gòu)簡單，可無級(jí)調(diào)控，如圖1（a）所示。在關(guān)節(jié)軸上安裝有旋轉(zhuǎn)型電位器，可以測量踝關(guān)節(jié)的角度，并把角度作為輸入量，改變線圈電流，進(jìn)而調(diào)整液壓缸內(nèi)磁場， 使踝足假肢背屈跖屈的阻尼遵循期望值改變，具有一定的智能。

1.2 氣動(dòng)型

Robotics&Multibody Mechanics research group研究小組（Vrije大學(xué)，布魯塞爾，比利時(shí)），開發(fā)了裝有百褶氣動(dòng)人工肌肉的小腿假肢原型[2]，如圖1（b）所示。假肢原型配備了三個(gè)PPAMs，1個(gè)放置在前面，2個(gè)放置在后面并行工作。僅用3bar肌肉的壓力，就可以容易地實(shí)現(xiàn)200Nm的高力矩輸出，腳踝運(yùn)動(dòng)范圍也可以達(dá)到30度。作為第一臺(tái)原型機(jī)，提供了一個(gè)概念驗(yàn)證和評(píng)估控制算法的測試平臺(tái)，而氣壓動(dòng)力和自主性方面問題尚未得到研究。

1.3 電動(dòng)型

電驅(qū)動(dòng)踝足假肢的研究工作大部分來自美國麻省理工學(xué)院（MIT）的Media實(shí)驗(yàn)室。這個(gè)實(shí)驗(yàn)室Hugh Herr領(lǐng)導(dǎo)的研究小組十幾年來對(duì)仿生踝足的研究一直都在持續(xù)進(jìn)行中。迄今MIT實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)制造了電動(dòng)踝足假肢[3-5]，如圖1（c）所示，它能夠模仿正常人體以自選的中等速度在水平地面行走過程中踝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)行為。該系統(tǒng)使用一個(gè)SEA（串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器）提供正常行走所需要的動(dòng)力，控制器設(shè)計(jì)采用微控制器和傳感器結(jié)合的方法，用有限狀態(tài)控制器進(jìn)行控制。

2 國內(nèi)的發(fā)展

清華大學(xué)、河北工業(yè)大學(xué)和國家康復(fù)輔具研究中心三家單位合作，分工進(jìn)行了阻尼可變式智能假肢踝關(guān)節(jié)的研究工作[6]。如圖2（a）所示，這個(gè)假肢踝關(guān)節(jié)有一個(gè)針閥元件，針閥的大小控制著氣室與大氣之間的氣體流動(dòng)，從而控制活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)踝關(guān)節(jié)做跖屈或背屈運(yùn)動(dòng)，具有一定的智能性。

北京大學(xué)設(shè)計(jì)的柔性動(dòng)力踝關(guān)節(jié)和腳趾關(guān)節(jié)的智能動(dòng)力膝假肢[7]。如圖2（b）所示，該踝足在踝關(guān)節(jié)處與跖趾關(guān)節(jié)處分別用一個(gè)SEA裝置，其控制原理與MIT的Media實(shí)驗(yàn)室思路相同。

3 展望

由前所述，目前的研究大多還停留在假肢研究階段，并且技術(shù)相對(duì)越來越成熟，但隨著仿人機(jī)器人的發(fā)展，機(jī)器人的仿生踝足設(shè)計(jì)也將成為很多研究人員的重點(diǎn)目標(biāo)。仿生踝足是仿人機(jī)器人與地面直接接觸的支撐點(diǎn)，并在調(diào)整機(jī)器人姿態(tài)和穩(wěn)定行走中發(fā)揮重要作用，因此對(duì)仿生踝足的研究是雙足步行機(jī)器人技術(shù)中的一個(gè)難點(diǎn)。為仿人機(jī)器人雙足步行開發(fā)仿生踝足，不是簡單地對(duì)已有的踝足假肢結(jié)構(gòu)直接移植使用，而是要根據(jù)仿人機(jī)器人的技術(shù)要求，有針對(duì)性地進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn)。相信在不久的將來，機(jī)器人的仿生智能踝足設(shè)計(jì)將成為智能踝足的又一新的發(fā)展趨勢。

參考文獻(xiàn)

[1]Chengqiu Li， Miwa Tokuda， Junji Furusho， et al. Research and Development of the Intelligently Controlled Prosthetic Ankle Joint[C].IEEE International Confference on Mechatronics and Automation，2006：1114-1119.

[2]B. Vanderborght， D. Lefeber， F. Daerden， and M. Van Damme. Controlling a bipedal walking robot actuated by pleated pneumatic artificial muscles. Robotica[J].2006，V24（4）： 401-410.

[3]S. K. Au， J. Weber， H. Herr. Powered Ankle-Foot Prosthesis Improves Walking Metabolic Economy[C]. IEEE Transactions on Robotics，2009，V25（1）：51-66.

[4]Jing Wang， Oliver A Kannape Hugh M Herr. Proportional EMG Control of Ankle Plantar Flexion in a Powered Transtibial Prosthesis[C]. International Conference on Rehabilitation Robotics （ICORR）， 2013.

[5]David Hill， Hugh Herr. Effects of a powered ankle-foot prosthesis on kinetic loading of the contralateral limb： A case series[C]. IEEE Int. Conf. On Rehabil and Robot，2013.

[6]楊鵬，柏健，王欣然，等.基于有限狀態(tài)機(jī)控制的智能假肢踝關(guān)節(jié)[J].中國組織工程研究，2013，17（9）：1549-1554.

[7]Jingying Zhu， Qining Wang， Long Wang. Biomechanical Design of powered Ankle-foot Prosthetic witlh Compliant Joints and Segmented foot.