一種多自由度踝關(guān)節(jié)假肢的設(shè)計

章浩偉，徐曉麗，劉穎，余瑩

上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院（上海，200093）

0 引言

隨著人工智能、材料科學(xué)和傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，動力踝關(guān)節(jié)假肢的研究逐漸成為大家關(guān)注的焦點。2006年我國第二次全國殘疾人抽樣調(diào)查結(jié)果顯示，我國肢體殘疾人數(shù)為2 412萬，截肢人數(shù)為226萬，其中70%為下肢截肢患者［1］。近年來由于交通意外、自然災(zāi)害、疾病等因素，肢體殘疾人數(shù)逐年增加。在創(chuàng)傷性截肢手術(shù)中，下肢截肢患者比例超過90%，大多數(shù)人在術(shù)后會失去行走能力，對他們的生活造成諸多不便。對于此類患者，安裝假肢不僅在外觀上替代了殘缺肢體，而且是其恢復(fù)站立支撐和行走功能的有效手段。因此，不論是大腿截肢還是小腿截肢，均需要安裝踝關(guān)節(jié)假肢［2］。

踝關(guān)節(jié)是人體下肢關(guān)節(jié)的重要組成，也是其中最為靈活的部分，如何提高其仿生性能，更加逼真地實現(xiàn)人體踝關(guān)節(jié)的功能仍充滿挑戰(zhàn)。目前，關(guān)于智能踝關(guān)節(jié)假肢的研究相對滯后，可選擇的動力踝關(guān)節(jié)假肢產(chǎn)品較少,不能充分滿足使用者的需求［2］。本研究在現(xiàn)有被動踝關(guān)節(jié)假肢結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，遵循仿生學(xué)原理，設(shè)計了一種具有雙自由度的踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，使得踝關(guān)節(jié)假肢產(chǎn)品具有更好的靈活性和適應(yīng)性，能夠滿足使用者的日常需求，同時增加了使用者在運動過程中的平穩(wěn)性，為后續(xù)動力踝關(guān)節(jié)假肢的研究和步態(tài)機器人的研究提供參考。

1 踝關(guān)節(jié)整體設(shè)計

踝關(guān)節(jié)是人體主要負(fù)重關(guān)節(jié)之一，是人體與地面接觸的樞紐［3］。人體能夠完成站立、行走、下蹲、跑跳等動作，與踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)及肌肉的作用密切相關(guān)?；谌梭w踝關(guān)節(jié)特性進行智能仿生踝關(guān)節(jié)假肢的設(shè)計，該假肢能夠滿足經(jīng)脛骨截肢者的使用需求，其功能上具有以下特點：①盡可能降低穿戴者正常踝關(guān)節(jié)運動時的能量損耗，減少運動負(fù)擔(dān)，起到真正的代償作用；②人體和足、踝部分是不可分割的，踝關(guān)節(jié)的角度變化能帶動足部運動，在足部與地面的接觸過程中吸收地面沖擊力，保證假肢及殘肢部分不會損傷；③足、踝在運動過程中要能產(chǎn)生前進的驅(qū)動力；④對于路面有一定的適應(yīng)性，當(dāng)路面不平整或存在運動障礙時，踝關(guān)節(jié)通過必要的運動調(diào)整假肢狀態(tài)，保持穿戴者的肢體穩(wěn)定；⑤踝關(guān)節(jié)具有一定程度的骨骼肌功能，增加使用者的穿戴舒適性，使其獲得更平穩(wěn)、自然、協(xié)調(diào)的步態(tài)。

2 踝關(guān)節(jié)生物力學(xué)分析

踝關(guān)節(jié)具有3個自由度，其運動可以分為矢狀面的背屈/跖屈、冠狀面的內(nèi)翻/外翻和水平面的外展/內(nèi)收（圖1）。人體踝關(guān)節(jié)是一種多自由度聯(lián)合運動機構(gòu)，對其功能上進行簡化，使得仿生踝關(guān)節(jié)的運動能夠逼近人體踝關(guān)節(jié)的運動特性。

圖1 踝關(guān)節(jié)的3個自由度Fig.1 Three degrees of freedom of ankle joint

3 踝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過對踝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)研究分析，踝關(guān)節(jié)在矢狀面內(nèi)的運動變化角度是向下25°～30°的跖屈和向上15°～20°的背屈，冠狀面的內(nèi)外翻角度的變化范圍為5°～10°。正常的關(guān)節(jié)運動變化限制在一定的角度范圍，與韌帶自身產(chǎn)生的拉力變化相關(guān)聯(lián)，韌帶在踝關(guān)節(jié)運動時起到保證踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的作用。

本設(shè)計中踝關(guān)節(jié)假肢具有2個平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)自由度，保證了其負(fù)重穩(wěn)定性和運動靈活性，假肢的踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖,見圖2?；诜律鷮W(xué)原理，假肢踝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)具有近似人體踝關(guān)節(jié)的球形設(shè)計，可以實現(xiàn)3個平面的轉(zhuǎn)動，所以在球形踝關(guān)節(jié)的水平面上加入限位裝置，以約束水平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動。

圖2 踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖Fig.2 Schematic diagram of ankle joint structure design

在平坦路面上運動時，踝關(guān)節(jié)假肢的運動以矢狀面上的背屈/跖屈為主。采用球形踝關(guān)節(jié)的設(shè)計使得假肢運動更為靈活，極大地提高了假肢穿戴者的舒適性，該結(jié)構(gòu)設(shè)計簡潔，使得假肢整體結(jié)構(gòu)更為緊湊，減小了假肢的重量。在崎嶇不平的復(fù)雜路面上，假肢踝關(guān)節(jié)的內(nèi)、外翻功能和碳纖維彈性材料假腳共同作用能夠吸收假肢受到的側(cè)向分力，保持穿戴者的身體平衡，大大提高了假肢的穿戴舒適性和步態(tài)穩(wěn)定性，踝關(guān)節(jié)假肢的整體設(shè)計見圖3。

圖3 假肢整體結(jié)構(gòu)Fig.3 Overall structure of prosthesis

下肢截肢者配置假肢的主要目的是代償其步行功能，盡可能地像健康人一樣以正確的方式自由行走和穩(wěn)定站立［4］。被動型假肢依靠殘肢帶動踝關(guān)節(jié)運動，在能量提供方面存在不足，不能主動實現(xiàn)輔助使用者上下樓梯、上下坡等日常運動需求，且長時間穿戴會增加使用者的能量消耗，產(chǎn)生疲勞感。動力型假肢能夠提供額外的功率，減少使用者的能量消耗，并且在配套控制系統(tǒng)的輔助下能夠及時調(diào)整假肢的步行速度、步幅等，以滿足使用者不同的需求。

本設(shè)計踝關(guān)節(jié)假肢采用直流伺服電機作為驅(qū)動力源，基于多種類型的機械傳感器采集運動過程中身體各部分在空域和時域上的動態(tài)變化信號，用來識別路況和步態(tài)周期，以控制步行姿態(tài)?？刂葡到y(tǒng)的原理框圖見圖4。通過采集位于假肢足底的壓力傳感器、踝關(guān)節(jié)處的角度傳感器和力矩傳感器輸出信號，判斷假肢的運動情況，在出現(xiàn)異常步態(tài)時及時調(diào)整假肢的運動節(jié)奏和速度，使得假肢具有良好的適應(yīng)能力。使用紅外避障傳感器，通過接收紅外返回信號識別周圍環(huán)境的變化，以實現(xiàn)在復(fù)雜路況環(huán)境下踝關(guān)節(jié)假肢的適應(yīng)性，比如在上下樓梯時能夠及時調(diào)整假肢的功率和踝關(guān)節(jié)的運動角度等。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Control system structure

在進行步態(tài)轉(zhuǎn)換時，由于機械傳感器采集的多為擺動相的相關(guān)數(shù)據(jù)，而擺動相是步態(tài)轉(zhuǎn)換的中間過渡階段，擺動相前后的運動模式是完全不同的，而在分析這部分?jǐn)?shù)據(jù)時，模式轉(zhuǎn)換已經(jīng)發(fā)生，因此存在時間上的滯后性。為了更好地解決這一問題，通過人工智能方法進行運動意圖識別研究尤為重要，準(zhǔn)確地識別運動意圖使得假肢能夠提前預(yù)知運動狀態(tài)，并做出相應(yīng)的控制策略和參數(shù)調(diào)整，使得使用者的運動過程更加穩(wěn)定、流暢、自然［5］，這是目前智能假肢的研究熱點，也是后續(xù)研究的方向。

4 總結(jié)

本研究從假肢的運動靈活性、穩(wěn)定性和適應(yīng)性角度考慮，設(shè)計了具有雙自由度的仿生踝關(guān)節(jié)假肢結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)更為緊湊靈活，整體尺寸重量減小，在控制系統(tǒng)的輔助下能夠適應(yīng)多種路面。踝關(guān)節(jié)假肢的研究最終目的是能夠應(yīng)用到下肢截肢人群，使他們能夠和健康人一樣自由行走，同時產(chǎn)品的生產(chǎn)能實現(xiàn)批量化和個性化供應(yīng)給更多需求者，因此，假肢的后續(xù)研究還應(yīng)更多考慮穿戴者的舒適性。