假肢技術(shù)的研究熱點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)分析

閆暢+湯佳+王小峰

指導(dǎo)老師：王小峰

摘 要：隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，假肢技術(shù)的突破逐漸得到了人們的關(guān)注。它能夠作為缺損肢體的替代品，為殘疾人士提供了極大的便利。傳統(tǒng)的假肢技術(shù)存在著許多弊端，主要表現(xiàn)為功能過(guò)于簡(jiǎn)單、外形笨重、操作不便等等。因此，現(xiàn)代化的假肢技術(shù)漸漸得到了深入，朝著智能化、自動(dòng)化的方向發(fā)展，以期能夠使患者重新站立起來(lái)。本文針對(duì)假肢技術(shù)的研究熱點(diǎn)，對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：假肢技術(shù)；研究熱點(diǎn)；發(fā)展趨勢(shì)

鄭州大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目

為了能夠幫助更多的殘疾人士，給予他們正常生活的機(jī)會(huì)，假肢技術(shù)的研究是必不可少的。但現(xiàn)有的假肢裝配無(wú)法滿足人們的基本要求，它只能夠起到一些輔助支撐作用。因此，我國(guó)專家加大了對(duì)智能化假肢的研究投入，從材料的選擇入手，以期制作出更加輕便、更貼近人體的假肢。

1 假肢技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

不同國(guó)家對(duì)假肢技術(shù)的研究時(shí)間是不一的。就我國(guó)來(lái)說(shuō)，假肢技術(shù)的起步相對(duì)較晚，尤其是智能假肢的制造，是從上個(gè)世紀(jì)80年代才開始的。最初的發(fā)起單位是清華大學(xué)，專家在關(guān)節(jié)控制的基礎(chǔ)上對(duì)各部位的連接程序進(jìn)行測(cè)試，觀察在電動(dòng)摩擦的前提下是否能夠起到相應(yīng)的控制作用。這項(xiàng)活動(dòng)也作為假肢技術(shù)的開端，引起了更多人的重視。接下來(lái)的十年中，上海理工大學(xué)與中南大學(xué)的教授分別提出了膝關(guān)節(jié)角度理論與仿生人工腿，為假肢技術(shù)的深入提供了依據(jù)。近幾年來(lái)，我國(guó)的假肢技術(shù)也愈發(fā)精進(jìn)，能夠?yàn)楦嘤腥毕莸娜巳禾峁┚C合性服務(wù)。但值得注意的是，智能化假肢技術(shù)還沒(méi)有完全得到普及，一般人無(wú)法承受優(yōu)質(zhì)假肢的價(jià)格，無(wú)法滿足高性能對(duì)人體的需求。

2 假肢技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

2.1 智能化發(fā)展

現(xiàn)有的假肢技術(shù)逐漸朝著智能化的方向發(fā)展，它不僅體現(xiàn)在材料的選擇上，更加在應(yīng)用上有著突出的效果。從人體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律上來(lái)講，它需要各關(guān)節(jié)的配合才能夠完成。某一部位受到了傷害，都會(huì)影響肢體的發(fā)展與完善。因此，智能化的假肢技術(shù)將這幾部分考慮了進(jìn)去，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡的模仿。以“下肢行走”為例，系統(tǒng)會(huì)參考膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、以及轉(zhuǎn)彎角度、行走速度等因素進(jìn)行調(diào)整，并達(dá)到不同運(yùn)動(dòng)模式轉(zhuǎn)換的目的。它的好處在于與人體實(shí)際狀況非常貼近，能夠?qū)ν獠凯h(huán)境做出最佳的響應(yīng)，并提供運(yùn)動(dòng)信息的采集數(shù)據(jù)。

2.2 仿真化發(fā)展

假肢技術(shù)的仿真化也是其發(fā)展趨勢(shì)之一。它主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，專家取肢體中最活躍的五個(gè)部位，對(duì)其行走周期進(jìn)行擬合。以“膝關(guān)節(jié)”的運(yùn)動(dòng)仿真為例，系統(tǒng)會(huì)將膝關(guān)節(jié)的彎曲角度與時(shí)間作為兩個(gè)可控制變量，觀察肢體運(yùn)動(dòng)下二者發(fā)生的變化。接著，以同一人的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為基準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)幾組不同的步態(tài)周期。最后，將最大值和最小值去掉后，算出其中的平均數(shù)，作為運(yùn)動(dòng)的基本模型。這種方法非常適合現(xiàn)代的假肢制造技術(shù)，它能夠?qū)⒄婕僦g的距離盡量縮短到最小，并實(shí)現(xiàn)過(guò)程的優(yōu)化與關(guān)節(jié)的靈活控制。

3 假肢技術(shù)的研究熱點(diǎn)

3.1 動(dòng)力型假肢的廣泛應(yīng)用

動(dòng)力型假肢可以稱得上是現(xiàn)代假肢技術(shù)的熱點(diǎn)之一。不管是在組織結(jié)構(gòu)上，還是在功能設(shè)定上，它都有著一定的優(yōu)越性。與正常的設(shè)計(jì)方法不同，它主要根據(jù)膝關(guān)節(jié)的動(dòng)態(tài)平衡規(guī)律，得出行走的運(yùn)作方向，并通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)的方法打造相互協(xié)作的滾動(dòng)式鏈條。系統(tǒng)的控制方法比較復(fù)雜，相關(guān)人員要在程序設(shè)定的基礎(chǔ)上建立數(shù)學(xué)模型，以人體關(guān)節(jié)參數(shù)為中心，來(lái)完成仿生結(jié)構(gòu)的制造。總體而言，它屬于多軸智能假肢結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)會(huì)找出一個(gè)運(yùn)動(dòng)基點(diǎn)，也就是運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的軸線，進(jìn)行相應(yīng)的變化。它會(huì)依照運(yùn)動(dòng)時(shí)不同的路況，來(lái)設(shè)定不同的軸對(duì)稱點(diǎn)，并滿足電機(jī)與連桿相結(jié)合的特定要求。以“膝關(guān)節(jié)”為例，動(dòng)力型系統(tǒng)控制器的兩端通過(guò)連接桿整合到一個(gè)平臺(tái)中，而直線電機(jī)則可以依靠旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，為小腿肌肉提供動(dòng)力。傳動(dòng)桿會(huì)隨著電機(jī)的旋轉(zhuǎn)而運(yùn)作，在為肢體主動(dòng)的提供能量。為了使假肢的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，系統(tǒng)會(huì)依照設(shè)定的路徑來(lái)調(diào)節(jié)傳動(dòng)桿的長(zhǎng)短，并以四連桿為基點(diǎn)，來(lái)帶動(dòng)內(nèi)部從動(dòng)桿的運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)也可以對(duì)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)過(guò)程進(jìn)行輔助，以電動(dòng)推動(dòng)缸作為動(dòng)力源，來(lái)控制四連桿的彎曲或轉(zhuǎn)乘，以達(dá)到直線導(dǎo)航的目的，為膝關(guān)節(jié)的伸展提供條件。

3.2 下肢運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律模擬

下肢運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律的模擬主要通過(guò)以下幾個(gè)過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)。第一，系統(tǒng)會(huì)對(duì)下肢運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，以達(dá)到假肢標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定的目的。首先，系統(tǒng)要對(duì)人體的動(dòng)作數(shù)據(jù)進(jìn)行捕捉，在同一時(shí)間點(diǎn)內(nèi)觀察動(dòng)作的變化規(guī)律。應(yīng)用程序中每分鐘能夠記錄240組不同的動(dòng)作。接著將數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，找到其中的規(guī)律并在不同的信道中進(jìn)行輸送。最后，系統(tǒng)終端會(huì)接收以上信號(hào)并制定出相應(yīng)的圖片，并通過(guò)軟件中的模擬平臺(tái)將連桿的接入方式變?yōu)槿梭w肢體的實(shí)際運(yùn)動(dòng)形態(tài)。另外，太網(wǎng)有信號(hào)處理的功能，可以在反光點(diǎn)采集的基礎(chǔ)上對(duì)各關(guān)節(jié)的角度進(jìn)行模擬。第二，下肢運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析。由于每個(gè)人的行走習(xí)慣以及動(dòng)作快慢不同，假肢的制作方式也不盡相同。我們可以在測(cè)試者身上綁定電位測(cè)定儀，將腳跟與地面接觸的時(shí)間與次數(shù)作為周期的計(jì)算方式，分析兩條腿的擺動(dòng)幅度與間距，實(shí)現(xiàn)信息的智能化處理。

3.3 基于有限狀態(tài)機(jī)的專家控制

有限狀態(tài)機(jī)的專家控制方法比較先進(jìn)。首先，系統(tǒng)可以依照路況將行走的不同方式描述出來(lái)，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的有限集合。其次，當(dāng)測(cè)定數(shù)據(jù)形成了一定的規(guī)律，系統(tǒng)會(huì)將其中的內(nèi)容自動(dòng)整合為一個(gè)部分進(jìn)行輸出。該方法的特點(diǎn)就在“事件的對(duì)應(yīng)上”，它可以測(cè)定人體行走時(shí)重復(fù)性運(yùn)動(dòng)的特征，以肢體關(guān)節(jié)間的連接順序?yàn)榛A(chǔ)，制定相應(yīng)的目標(biāo)參數(shù)，并通過(guò)規(guī)則的演變來(lái)得到強(qiáng)化。這種方式的好處在于假肢的運(yùn)動(dòng)程序更加貼近人體，能夠及時(shí)感應(yīng)到傳感器所發(fā)送的行走信號(hào)，并作出及時(shí)的回應(yīng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，我國(guó)當(dāng)前的假肢技術(shù)得到了一定的轉(zhuǎn)變，在原有簡(jiǎn)化方式改變的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)收集，提供運(yùn)動(dòng)模擬的基本條件。同時(shí)，就未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)而言，假肢技術(shù)必然朝著自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展，為殘疾人士提供更加舒適的服務(wù)。

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