一種多自由度踝關節假肢的設計

章浩偉，徐曉麗，劉穎，余瑩

上海理工大學醫療器械與食品學院（上海，200093）

0 引言

隨著人工智能、材料科學和傳感器技術的快速發展，動力踝關節假肢的研究逐漸成為大家關注的焦點。2006年我國第二次全國殘疾人抽樣調查結果顯示，我國肢體殘疾人數為2 412萬，截肢人數為226萬，其中70%為下肢截肢患者［1］。近年來由于交通意外、自然災害、疾病等因素，肢體殘疾人數逐年增加。在創傷性截肢手術中，下肢截肢患者比例超過90%，大多數人在術后會失去行走能力，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，均需要安裝踝關節假肢［2］。

踝關節是人體下肢關節的重要組成，也是其中最為靈活的部分，如何提高其仿生性能，更加逼真地實現人體踝關節的功能仍充滿挑戰。目前，關于智能踝關節假肢的研究相對滯后，可選擇的動力踝關節假肢產品較少,不能充分滿足使用者的需求［2］。本研究在現有被動踝關節假肢結構的基礎上，遵循仿生學原理，設計了一種具有雙自由度的踝關節結構，使得踝關節假肢產品具有更好的靈活性和適應性，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性，為后續動力踝關節假肢的研究和步態機器人的研究提供參考。

1 踝關節整體設計

踝關節是人體主要負重關節之一，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，與踝關節結構及肌肉的作用密切相關。基于人體踝關節特性進行智能仿生踝關節假肢的設計，該假肢能夠滿足經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節運動時的能量損耗，減少運動負擔，起到真正的代償作用；②人體和足、踝部分是不可分割的，踝關節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生前進的驅動力；④對于路面有一定的適應性，當路面不平整或存在運動障礙時，踝關節通過必要的運動調整假肢狀態，保持穿戴者的肢體穩定；⑤踝關節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、自然、協調的步態。

2 踝關節生物力學分析

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

圖1 踝關節的3個自由度Fig.1 Three degrees of freedom of ankle joint

3 踝關節的結構設計

通過對踝關節的生物力學研究分析，踝關節在矢狀面內的運動變化角度是向下25°～30°的跖屈和向上15°～20°的背屈，冠狀面的內外翻角度的變化范圍為5°～10°。正常的關節運動變化限制在一定的角度范圍，與韌帶自身產生的拉力變化相關聯，韌帶在踝關節運動時起到保證踝關節穩定性的作用。

本設計中踝關節假肢具有2個平面內的旋轉自由度，保證了其負重穩定性和運動靈活性，假肢的踝關節結構設計示意圖,見圖2。基于仿生學原理，假肢踝關節的結構具有近似人體踝關節的球形設計，可以實現3個平面的轉動，所以在球形踝關節的水平面上加入限位裝置，以約束水平面內的轉動。

圖2 踝關節結構設計示意圖Fig.2 Schematic diagram of ankle joint structure design

在平坦路面上運動時，踝關節假肢的運動以矢狀面上的背屈/跖屈為主。采用球形踝關節的設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，該結構設計簡潔，使得假肢整體結構更為緊湊，減小了假肢的重量。在崎嶇不平的復雜路面上，假肢踝關節的內、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穩定性，踝關節假肢的整體設計見圖3。

圖3 假肢整體結構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定站立［4］。被動型假肢依靠殘肢帶動踝關節運動，在能量提供方面存在不足，不能主動實現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的輔助下能夠及時調整假肢的步行速度、步幅等，以滿足使用者不同的需求。

本設計踝關節假肢采用直流伺服電機作為驅動力源，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變化信號，用來識別路況和步態周期，以控制步行姿態。控制系統的原理框圖見圖4。通過采集位于假肢足底的壓力傳感器、踝關節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，在出現異常步態時及時調整假肢的運動節奏和速度，使得假肢具有良好的適應能力。使用紅外避障傳感器，通過接收紅外返回信號識別周圍環境的變化，以實現在復雜路況環境下踝關節假肢的適應性，比如在上下樓梯時能夠及時調整假肢的功率和踝關節的運動角度等。

圖4 控制系統結構Fig.4 Control system structure

在進行步態轉換時，由于機械傳感器采集的多為擺動相的相關數據，而擺動相是步態轉換的中間過渡階段，擺動相前后的運動模式是完全不同的，而在分析這部分數據時，模式轉換已經發生，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，準確地識別運動意圖使得假肢能夠提前預知運動狀態，并做出相應的控制策略和參數調整，使得使用者的運動過程更加穩定、流暢、自然［5］，這是目前智能假肢的研究熱點，也是后續研究的方向。

4 總結

本研究從假肢的運動靈活性、穩定性和適應性角度考慮，設計了具有雙自由度的仿生踝關節假肢結構，該結構更為緊湊靈活，整體尺寸重量減小，在控制系統的輔助下能夠適應多種路面。踝關節假肢的研究最終目的是能夠應用到下肢截肢人群，使他們能夠和健康人一樣自由行走，同時產品的生產能實現批量化和個性化供應給更多需求者，因此，假肢的后續研究還應更多考慮穿戴者的舒適性。