基于機(jī)械理論的膝關(guān)節(jié)假肢設(shè)計

曲立東

四川省康復(fù)輔具技術(shù)服務(wù)中心 四川 成都 610042

設(shè)計背景

科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步極大的便利了人們的生活,假肢的出現(xiàn)逐漸取代了拐杖,這對于假肢應(yīng)用者來說,不僅可以在外觀上彌補(bǔ)其缺陷,也可以使截肢者可以和正常人一樣工作、生活,擴(kuò)大了殘疾人參與社會活動的范圍,增強(qiáng)其自信心,減少因身體缺陷帶來的不便利。膝關(guān)節(jié)作為大腿假肢部分的核心部件,在人類活動的過程中發(fā)揮著重要的支撐作用,并且膝關(guān)節(jié)的性能在一定程度上決定了人類活動范圍的大小和敏捷性的高低,對假肢的逼真程度也起著關(guān)鍵性作用。[3]從目前情況來看,市場上的膝關(guān)節(jié)的屈伸都是由殘肢帶動的,不具有自主性、能動性,只能通過調(diào)節(jié)假肢關(guān)節(jié)處的阻尼力矩使得假肢的側(cè)步態(tài)和健肢側(cè)步態(tài)接近。一般情況下,普通的假肢膝關(guān)節(jié)在安裝的過程中以截肢者的體重、行走慣性為依據(jù)對阻尼力矩進(jìn)行調(diào)節(jié),當(dāng)截肢者的走路速度變快或者變慢時,步態(tài)對稱性情況就會更差一些。

在上世紀(jì)90年代,假肢運動不以截肢者走路速度的變化而變化,穩(wěn)定性的情況也較差,隨著科學(xué)技術(shù)和人類文明的進(jìn)步,假肢技術(shù)也得到了提高,許多智能型的假肢膝關(guān)節(jié)出現(xiàn),這為廣大截肢者帶來了福音,智能型的假肢膝關(guān)節(jié)可以對截肢者進(jìn)行步態(tài)的實時控制,根據(jù)情況的動態(tài)變化隨時作出調(diào)整,如國內(nèi)的中南大學(xué)的CIP-ILeg,國外的日本的Nabco等。我們國家對假肢的智能性研究與國外相比起步較晚,這也說明我們的基礎(chǔ)較為薄弱,比發(fā)達(dá)國家落后了二十幾年,目前我國仍處于研究、探索階段,為了在機(jī)械理論的基礎(chǔ)上對膝關(guān)節(jié)的假肢作進(jìn)一步的研究,有必要對假肢的步態(tài)變化和智能控制相結(jié)合進(jìn)行研究。

一、設(shè)計方法

（一）以機(jī)械理論為基礎(chǔ)對假肢膝關(guān)節(jié)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行選型

符合假肢膝關(guān)節(jié)設(shè)計的機(jī)構(gòu)有很多,我們首先要做的就是選擇適合假肢膝關(guān)節(jié)的機(jī)構(gòu)類型,[1]其中制造成本較低的就是四連桿機(jī)構(gòu),其可靠性也很高,可以實現(xiàn)瞬心軌跡為理想的J型曲線的要求,所以四連桿作為理想的機(jī)構(gòu)之一。

圖1 假體關(guān)節(jié)類型

（二）對機(jī)構(gòu)運動進(jìn)行深入分析

基于力學(xué)理論的膝關(guān)節(jié)假體設(shè)計是膝關(guān)節(jié)假體機(jī)構(gòu)的動態(tài)設(shè)計,以靈活性、體積和效率為基礎(chǔ),進(jìn)一步滿足步行、上下樓梯、跑步等多種形式,最終達(dá)到接近人體動力學(xué)的目的。為了滿足殘疾人的各種需求,需要將上述四連桿機(jī)構(gòu)與電機(jī)結(jié)合起來,利用直線電機(jī)的特性為下肢運動提供動力,從而代替小腿肌肉。傳動桿長度的變化可以帶動連接桿運動,為四連桿運動提供動力來源,但這些運動都以電機(jī)旋轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)。與連接桿相連的為主動桿,其余均為被動桿,與小腿連接的有一個被動桿。

在正常步態(tài)的支撐期,四連桿的結(jié)構(gòu)提供了更強(qiáng)的穩(wěn)定性,四連桿運動在這個時期的主要來源是電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動傳動桿的長度變化。主桿運動是連接桿和四連桿的運動,,其帶動了從動桿運動,為連接軸提供轉(zhuǎn)矩從而實現(xiàn)膝關(guān)節(jié)的彎曲,當(dāng)膝關(guān)節(jié)伸展時,需要電機(jī)的反向旋轉(zhuǎn),其過程與上述過程一致。

（三）對膝關(guān)節(jié)的變化信息進(jìn)行采集

此設(shè)計針對的是膝關(guān)節(jié)的設(shè)計,因此對膝關(guān)節(jié)進(jìn)行動態(tài)信息的采集是很重要的一步。通過收集膝關(guān)節(jié)在跑步、走路和爬樓梯等不同情況下的運動信息,可以得出被動和半主動膝關(guān)節(jié)在殘疾人的主動性方面存在很大缺陷,很難主動爬樓梯和爬坡,所以我們產(chǎn)品的目的是研究主動膝關(guān)節(jié)假體。

首先,我們可以利用維康光學(xué)運動捕捉系統(tǒng)采集正常人運動時的膝關(guān)節(jié)。當(dāng)這個系統(tǒng)的攝像頭發(fā)出的紅點反射到光球表面時,光球也會向攝像頭反射同樣長的紅光,這樣整個運動軌跡就可以被清晰的記錄下來,最后通過系統(tǒng)的軟件進(jìn)行處理,最終得到所需的運動數(shù)據(jù)。這個系統(tǒng)有兩個測力平臺,可以測量行走過程中的阻力。也叫反作用力,通過將這些原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入到名為polygon的系統(tǒng)中,我們可以檢測膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)等關(guān)節(jié)的角度、力的大小、行走過程中地面的反作用力等影響因素。腳后跟開始著地時要記住完整的步態(tài),可以分為支撐期和擺動期,其中前半段占很大比重。[2]在膝關(guān)節(jié)的假肢設(shè)計過程中要盡量做到有較強(qiáng)的真實性,和天然的肢體有很強(qiáng)的相似性,可用三維動態(tài)進(jìn)行仿真,此仿真系統(tǒng)可靠性強(qiáng),并且成本低,可以為消費者節(jié)約成本。在整個仿真環(huán)境中要建立動力型的假肢膝關(guān)節(jié)的樣品。即所謂的試點工作,研究樣本,為這些模擬動作建立相應(yīng)的仿真平臺,利用cosmotion等相關(guān)軟件分析膝關(guān)節(jié)的動態(tài)運動,比較不同速度和動作下的膝關(guān)節(jié),從而提高肢體殘疾人的舒適度和體驗。

（四）膝關(guān)節(jié)位置控制的具體操作

1）選擇四連桿機(jī)構(gòu)

2）利用維康的光學(xué)動作捕捉系統(tǒng),首先對十個人進(jìn)行試驗。要求這十個人沒有身體上的缺陷,將十個人分成兩組,分別進(jìn)行平地行走、跑步、上下樓梯、坐下起立這四種運動模式的試驗,對其運動信息進(jìn)行采集。將采集后的信息利用維康軟件進(jìn)行校正,確定測試的區(qū)域和測試過程中存在的問題;接下來對實驗者的下肢進(jìn)行反光標(biāo)記,建立靜態(tài)模型;最后對整個過程進(jìn)行講解,要求實驗者在此過程中要掌握動作要領(lǐng),明確開始位置和最終結(jié)束位置;實驗者在進(jìn)行四種運動模式時,要以不同的速度進(jìn)行,分別是快速、中速、慢速,每種速度要測試出十組數(shù)據(jù),確保數(shù)據(jù)的真實可靠性。

3）以機(jī)械理論為基礎(chǔ)建立假肢膝關(guān)節(jié)控制模型,最終確定兩相混合式步進(jìn)電機(jī)作為動力來源,計算出電機(jī)的脈沖變化規(guī)律對膝關(guān)節(jié)假肢進(jìn)行控制。[5]這其中也需要FSM的數(shù)學(xué)原理,即有限狀態(tài)自動,是一種數(shù)學(xué)模型,對有限個狀態(tài)和狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移進(jìn)行數(shù)學(xué)上的分析。

4）采用迭代學(xué)習(xí)控制（ILC）的方法,研究了單個周期的步態(tài)的調(diào)節(jié)方法,并做出了理論分析曲線。對步態(tài)變換時兩種不理想情況即過早、不及時給出一定的解決方法,根據(jù)周期比例對求出運動速度,避免速度過快或者過慢情況的出現(xiàn)

5）影響膝關(guān)節(jié)假肢運動的各影響要素之間具有關(guān)聯(lián)性,不是孤立的。

二、最終得出結(jié)論

本文利用三維人體采集系統(tǒng)采集人體的四種運動形式,[4]分析膝關(guān)節(jié)的運動和所需能力,通過cosmotion等軟件進(jìn)一步研究膝關(guān)節(jié)假體的動態(tài)類型,以力學(xué)理論為主要依據(jù)和理論來源,用相機(jī)記錄健康人體的下肢運動。正常人的親身實踐作為膝關(guān)節(jié)假肢安裝的重要支撐之一,最后通過對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,計算出膝關(guān)節(jié)在不同運動模式下的不同形態(tài)以及運動強(qiáng)度的大小,探索出一定的運動規(guī)律。根據(jù)機(jī)械理論,建立假肢膝關(guān)節(jié)控制模型,確定兩相混合式步進(jìn)電機(jī)作為動力來源,計算出電機(jī)的脈沖變化規(guī)律對膝關(guān)節(jié)假肢進(jìn)行控制。

圖2 膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)

三、結(jié)語

膝關(guān)節(jié)是人類身體活動的重要部位,對人體的活動起著關(guān)鍵性作用,但是由于技術(shù)的局限性,目前的膝關(guān)節(jié)假肢不能較好的滿足肢體殘疾者的要求,因此在機(jī)械理論的基礎(chǔ)上對膝關(guān)節(jié)處假肢進(jìn)行全動力型研究是我們需要研究的問題,可以讓肢體殘疾者較好的進(jìn)行日常生活中的自理活動,在外觀上與常人無較大差距,提高自主活動。