安徽三联学院机械工程学院 安徽合肥 230601
摘要：整个系统包括步态数据采集和膝关节位置控制系统两大部分，步态数据采集的目的是为位置控制系统提供给定值，此值也就是气动人工肌肉应当处的位置，位置控制系统的作用就是令比例压力阀快速驱动人工肌肉带动膝关节到给定值。本文对智能膝关节假肢进行了分析探讨，仅供参考。
关键词：假肢膝关节；设计；系统
一、假肢膝关节随动控制系统的设计
1、随动系统步态数据采集设计
步态数据采集系统的任务是完成对人体步态信息的测量。通过对膝关节结构分析可知，气动人工肌肉位置的变化应当跟随步态的变化，从而要求控制器对比例压力阀施加的电信号做相应的变化。为了确定电信号给定值，必须首先知道截肢者当前的步态信息，步态数据采集的准确性将直接影响到仿生腿的性能。
2、膝关节位置控制设计
在本系统中，步态运动时间比较短，气动人工肌肉运动行程也很短，因此系统对控制精度要求极为严格，选择闭环控制方案比较合适。使用比例压力阀接收物理控制信号，驱动气动人工肌肉，并通过安装在假肢上的传感器监测位置变化，控制系统根据位置反馈信号调整控制信号，实现假肢跟随健肢运动。
二、现有智能膝关节假肢现状
1、关节驱动方式
智能膝关节假肢按照关节驱动方式可分为主动型和被动型。主动型假肢主要以电机作为动力源，能够代替腿部肌肉提供力矩，使膝关节主动弯曲、伸展。但电机自重大、能量转化率低、功耗高，运行时噪声大；电池容量小、体积重量大、续航短，这些问题是主动型假肢产品面临的主要技术难题。市场上唯一的一款主动型假肢产品是OSSUR公司的POWERKNEE。也有研究机构用气压、液压作为动力源进行主动型假肢的研究。
被动型假肢(也称为阻尼式假肢)不提供主动力矩，行走时通过大腿残肢带动假肢小腿摆动实现行走。假肢根据外界条件的变化调节膝关节阻尼力矩实现步态调整。由于控制方式相对简单，实现难度相对较小，同时能耗相对较低，市场上主流产品均为被动阻尼式假肢。
2、驱动类型
阻尼式假肢按照驱动类型可以分为气压、液压、磁流变、电流变、机械摩擦等。阻尼式假肢提供的阻尼可以分为流体阻尼和摩擦阻尼两种。其中，气压和液压的阻尼原理类似，通过调节阀门开度大小改变流体的阻尼。由于气体压缩性较大，气压提供的阻尼力矩较小、阻尼器动作较快，适用于摆动相；液压能提供较大的阻尼力矩，既适用于支撑相也适用于摆动相。磁流变和电流变阻尼假肢的原理是在不同磁场、电场的作用下，磁流变液和电流变液的黏性不同，改变磁场强度或电场强度即可改变流体的阻尼，这种类型阻尼器不需机械执行机构，对调节的反应也更加迅速。市场上已经有磁流变假肢产品出现，但电流变假肢由于技术原因仍在实验室阶段。摩擦阻尼式假肢通过调节机构来产生摩擦阻尼，但实现准确稳定的力矩控制以及建立准确的数学模型均有很大难度，现在还没有摩擦式智能膝关节产品。
3、转轴结构
膝关节假肢按照结构可以分为单轴假肢和多连杆假肢。单轴膝关节只有单个回转轴，在摆动期的灵活性较高，但支撑期不够稳定。由于结构比较简单，模型的建立比较容易，同时也能够允许假肢实现较复杂的运动，现有的智能膝关节假肢产品除了IntelligentKnee(Four-barAxis)以及国内的气压多连杆假肢之外，均为单轴结构；在实验室研究中，单轴膝关节的研究也占主要部分。多轴膝关节大多为多连杆膝关节(四连杆、五连杆或六连杆)，多连杆机构的设计使转动中心可以以一定的轨迹移动，更加符合人体正常行走时膝关节转动中心的变化，在伸展时转动瞬心可以大大高于转动轴，弯曲时快速下降至转轴附近，使其伸展灵活，同时支撑期也能保持稳定。智能多连杆假肢大多采用四连杆结构，NABTESCO公司的IntelligentKnee(Four-barAxis)、台湾德林公司的VOne以及北京精博的假肢是已经产品化的四连杆智能假肢；河北工业大学的杨鹏等则分别研究了气压、电机驱动的四连杆膝关节。
三、研究趋势
1、主被动混合驱动
为弥补被动阻尼式假肢无法提供主动力矩的不足，同时利用其在无需主动力矩情况下较好的阻尼性能，研究人员尝试将主动驱动与被动驱动相结合，设计主被动混合驱动，或半主动的智能假肢。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆这样的设计也符合人体正常的行走规律：在正常行走过程中，膝关节大部分时间充当阻尼器，只有在上坡、上楼梯等需要主动力矩的情况下才主动发力做功。
半主动式
膝关节假肢和膝踝关节假肢。使用液压泵作为动力源，设计液压回路将主动和被动两种控制方式结合在一起。这两款假肢通过控制伺服阀实现主动力矩输出状态、被动液压阻尼状态等状态之间的切换，最终实现主被动混合控制。东北大学闻时光等将磁流变阻尼器与直流电机相结合，以滚珠丝杠进行传动，设计出混合驱动四连杆膝关节。假肢行走时主要使用磁流变阻尼器，利用其阻尼特性实现正常行走步态；当要进行上楼等需要主动力矩的动作时，电机再介入。哈尔滨工业大学的吴波等对基于磁流变阻尼器的四连杆混合驱动智能假肢进行了结构设计和仿真分析。
2、膝踝一体化设计
目前，市场上针对大腿截肢患者的解决方案一般为智能膝关节假肢和被动机械式踝关节假肢以及假脚的组合，或者智能膝关节假肢和智能踝关节假肢的简单组合。实验室大多数单独对膝关节或踝关节进行研究并设计假肢。以上设计在步态等性能上与正常行走特征有很大差距。正常行走是膝关节和踝关节相互耦合作用，因此较好的方式是将膝关节的设计与踝关节的设计结合起来，同时考虑膝、踝关节的运动，进行膝踝一体化设计。膝踝一体化设计，即膝踝耦合联动的设计，主要包括两种方式：通过机械结构进行耦合，或者通过控制系统协调运动。前者通过机械结构将膝、踝两个关节连接在一起，使两者按一定的关系进行运动，但两个关节只有一个自由度，运动关系单一且不能灵活变化，通常用于纯机械结构式假肢设计；后者的膝、踝关节可以独立运动，通过控制系统按照人体正常步态规律对两个关节共同控制，实现协调耦合运动；优点在于膝踝运动关系灵活，可以适应不同步态的要求，难点在于膝踝关节的协调控制。
3、步态周期内能量的收集与利用
为了更好完成复杂的膝关节功能，需要有电机提供主动力矩。限制电机使用的重要原因之一是能耗太大。有学者从下肢假肢步态周期内膝、踝关节做功以及能量的流动入手进行研究。膝、踝关节能量的分布主要有一个能量产生部分G以及三个能量的吸收部分A1、A2、A3。在从脚跟触地开始的站立相中，膝关节既吸收能量也释放能量，平均能量为0，踝关节一直被动弯曲吸收能量(A3)部分；在蹬地阶段，踝关节产生蹬地的主要的动能G，膝关节弯曲吸收能量(A1)；在摆动相，膝关节产生伸展阻尼继续吸收能量(A2)，踝关节在这一阶段的能量可以忽略。可见在正常步态周期中，膝关节主要是能量吸收部位，踝关节主要是能量生成部位，生成能量G的大小与A1、A2、A3的总和基本相同。
根据上述原理，Unal等设计一款能够存储和释放能量的纯机械下肢假肢，以减少人体行走时能量的消耗。他们使用3个弹簧，利用弹簧的特性以及所设计机构的特点将行走时所吸收的能量A1、A2、A3吸收，并转移至蹬地时释放(G)，实现能量内部的自流动，减少对外部能量的需求。Arnout等使用拉簧、压簧、绳线以及棘轮设计下肢假肢，并利用膝、踝关节在角度、力矩等关系进行耦合，将膝关节在站立相吸收的能量转移至踝关节，为蹬地时提供能量。利用电磁马达作为发电机时可以对电池进行充电的特性，行走时利用电磁马达收集能量为电池充电，从而减少对电池人工充电的次数，延长使用时间；同时研究电磁马达在不同电路负载下的阻尼特性，以在摆动相内利用。这为研究行走时能量收集重利用提供了另一种思路。
结束语
根据主/被动驱动方式、驱动类型以及关节转轴数量分别对假肢进行分类比较，指出现有假肢无法提供主动力矩、步态与正常人体步态仍有较大差距等问题，进而介绍针对这些问题进行研究的现状及趋势，发现随着技术的进一步提高以及研究的深入，既能提供主动力矩又有很好的阻尼性能，能量循环利用率高的膝踝一体假肢是今后的研究方向。在控制方式上，利用肌电、脑电等人体生物信号以及人体动力学、运动学信息对人体步态模式识别和环境信息判断，结合智能控制技术实现自然、对称的步态，也将成为未来假肢研究的热点。
参考文献
[1]王锟.智能假肢膝踝协调控制与应用[D].河北工业大学,2014.
[2]赵风青.基于有限状态机的动力型假肢膝关节控制方法研究[D].河北工业大学,2014.
[3]马云鹏.下肢假肢膝关节—踝关节协调运动控制研究[D].杭州电子科技大学,2014.
[4]翁宁.人工腿仿生设计及气动人工肌肉（PMA）实验建模研究[D].东北大学,2014.
基金项目
安徽省振兴计划新建专业项目, 编号：20132ytz081。
论文作者:周福静
论文发表刊物:《基层建设》2016年31期
论文发表时间:2017/1/17
标签：假肢论文; 膝关节论文; 阻尼论文; 步态论文; 力矩论文; 能量论文; 连杆论文; 《基层建设》2016年31期论文;