殘疾人用電子腳踝的設計

華俊陽 何恩光 張樂天 唐 駿 陳雅潔 張雅晶

（安徽科技學院 機械工程學院，鳳陽 233100）

據統計，我國目前有8500萬殘疾人，其中肢體殘疾人所占比重最大，有2400多萬人。雖然目前動力型假肢對上肢和下肢截肢者的潛在好處很明確，但多數研究和商業活動都側重于活動上肢裝置。目前，我們所見到的多數腳踝假體皆是依賴于地形的變化和人的做功，再通過假肢內的機械結構來實現人體助行。因此，他們的機械性能不隨行走速度和地形的變化而產生相應變化[1]。相反，正常的人體腳踝僵硬度在每個步態周期內是隨人的步行速度而變化的[2-3]。此外，研究表明，人腳踝的主要功能之一是為身體的前進過程提供足夠的能量[4-5]。因此，如果想要利用假體腳踝使殘疾人行走與正常人無異，則該腳踝必須具備為人體行走提供能量的功能。

1 人體腳踝工作原理

正常的人體步行生物力學為人電子腳踝的設計和開發提供了基礎。平地步行步態循環通常被定義為從一只腳的腳跟著地開始，到同一只腳的下一次腳跟著地為止[6]。步態周期的主要細分是站立階段（60%）和擺動階段（40%），如圖1所示。搖擺階段代表了當腳離地時步態周期的一部分。可以進一步將站立階段分為三個子階段：受控跖屈（CP），受控背屈（CD）和動力跖屈（PP）[3]。典型的腳踝扭矩對角度如圖2所示，其中，段1～2、2～3和3～4分別表示在步態的CP、CD和PP階段的腳踝扭矩角行為。

圖1 水平地面行走時正常人腳踝的生物力學

2 電子腳踝結構設計

圖3展示了用SolidWorks三維建模軟件設計的電子腳踝三維模型。整個電子腳踝系統由四個主要機械元件組成：大功率輸出電機（Maxon RE-max40）、變速箱（減速機和傘齒輪）、串聯彈簧和碳復合板簧假腳。將前三個部件組合成一個旋轉系列彈性致動器（SEA），以模擬人體踝關節的行為，而彈性鋼板彈簧模擬人腳的功能。SEA通過控制系列彈簧被壓縮的程度來提供精確的力控制。

圖2 水平地面行走時腳踝扭矩與角度的關系

圖3 電子腳踝三維設計模型

圖4 電子腳踝控制原理圖

3 控制系統設計

本文設計了一個有限狀態機來實現電子腳踝的基本控制系統，如圖4所示。如同在正常行走中一樣，電子腳踝靠線性扭轉彈簧控制。在CD段中，簡單地使用兩個線性彈簧來近似人腳踝的非線性彈簧行為；當腳踝角度通過90°時，仿真器的剛度從一個值變化到另一個值（中等姿態）。在PP期間，除了扭矩源TPP之外，還模擬虛擬彈簧K的能量返回過程。在擺動階段，電子腳踝被控制為具有低剛度的線性彈簧。系統的狀態轉換取決于腳踏開關和踝關節編碼器的測量結果。

4 結論

利用人體生物力學原理設計了一種新穎的殘疾人用電子腳踝來模擬正常的人體腳踝行為。通過對電子腳踝進行結構設計和控制系統設計，完善了電子腳踝的使用功能，不僅能幫助殘疾人正常行走，而且兼有按摩功能，對殘疾人下肢的康復保健具有輔助作用。