基于機(jī)械理論的膝關(guān)節(jié)假肢設(shè)計(jì)

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(jì)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(duì)于假肢應(yīng)用者來(lái)說(shuō),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(huì)活動(dòng)的范圍,增強(qiáng)其自信心,減少因身體缺陷帶來(lái)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(dòng)的過(guò)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(dòng)范圍的大小和敏捷性的高低,對(duì)假肢的逼真程度也起著關(guān)鍵性作用。[3]從目前情況來(lái)看,市場(chǎng)上的膝關(guān)節(jié)的屈伸都是由殘肢帶動(dòng)的,不具有自主性、能動(dòng)性,只能通過(guò)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(guò)程中以截肢者的體重、行走慣性為依據(jù)對(duì)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(shí),步態(tài)對(duì)稱性情況就會(huì)更差一些。

在上世紀(jì)90年代,假肢運(yùn)動(dòng)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(lái)了福音,智能型的假肢膝關(guān)節(jié)可以對(duì)截肢者進(jìn)行步態(tài)的實(shí)時(shí)控制,根據(jù)情況的動(dòng)態(tài)變化隨時(shí)作出調(diào)整,如國(guó)內(nèi)的中南大學(xué)的CIP-ILeg,國(guó)外的日本的Nabco等。我們國(guó)家對(duì)假肢的智能性研究與國(guó)外相比起步較晚,這也說(shuō)明我們的基礎(chǔ)較為薄弱,比發(fā)達(dá)國(guó)家落后了二十幾年,目前我國(guó)仍處于研究、探索階段,為了在機(jī)械理論的基礎(chǔ)上對(duì)膝關(guān)節(jié)的假肢作進(jìn)一步的研究,有必要對(duì)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(jì)方法

（一）以機(jī)械理論為基礎(chǔ)對(duì)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(jì)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(shí)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(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(jì)是膝關(guān)節(jié)假體機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì),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(dòng)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(lái),利用直線電機(jī)的特性為下肢運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力,從而代替小腿肌肉。傳動(dòng)桿長(zhǎng)度的變化可以帶動(dòng)連接桿運(yùn)動(dòng),為四連桿運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力來(lái)源,但這些運(yùn)動(dòng)都以電機(jī)旋轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)。與連接桿相連的為主動(dòng)桿,其余均為被動(dòng)桿,與小腿連接的有一個(gè)被動(dòng)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(yùn)動(dòng)在這個(gè)時(shí)期的主要來(lái)源是電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)傳動(dòng)桿的長(zhǎng)度變化。主桿運(yùn)動(dòng)是連接桿和四連桿的運(yùn)動(dòng),,其帶動(dòng)了從動(dòng)桿運(yùn)動(dòng),為連接軸提供轉(zhuǎn)矩從而實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)的彎曲,當(dāng)膝關(guān)節(jié)伸展時(shí),需要電機(jī)的反向旋轉(zhuǎn),其過(guò)程與上述過(guò)程一致。

（三）對(duì)膝關(guān)節(jié)的變化信息進(jìn)行采集

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

首先,我們可以利用維康光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)采集正常人運(yùn)動(dòng)時(shí)的膝關(guān)節(jié)。當(dāng)這個(gè)系統(tǒng)的攝像頭發(fā)出的紅點(diǎn)反射到光球表面時(shí),光球也會(huì)向攝像頭反射同樣長(zhǎng)的紅光,這樣整個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡就可以被清晰的記錄下來(lái),最后通過(guò)系統(tǒng)的軟件進(jìn)行處理,最終得到所需的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。這個(gè)系統(tǒng)有兩個(gè)測(cè)力平臺(tái),可以測(cè)量行走過(guò)程中的阻力。也叫反作用力,通過(guò)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(cè)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(guò)程中地面的反作用力等影響因素。腳后跟開始著地時(shí)要記住完整的步態(tài),可以分為支撐期和擺動(dòng)期,其中前半段占很大比重。[2]在膝關(guān)節(jié)的假肢設(shè)計(jì)過(guò)程中要盡量做到有較強(qiáng)的真實(shí)性,和天然的肢體有很強(qiáng)的相似性,可用三維動(dòng)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(fèi)者節(jié)約成本。在整個(gè)仿真環(huán)境中要建立動(dòng)力型的假肢膝關(guān)節(jié)的樣品。即所謂的試點(diǎn)工作,研究樣本,為這些模擬動(dòng)作建立相應(yīng)的仿真平臺(tái),利用cosmotion等相關(guān)軟件分析膝關(guān)節(jié)的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng),比較不同速度和動(dòng)作下的膝關(guān)節(jié),從而提高肢體殘疾人的舒適度和體驗(yàn)。

（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(dòng)作捕捉系統(tǒng),首先對(duì)十個(gè)人進(jìn)行試驗(yàn)。要求這十個(gè)人沒(méi)有身體上的缺陷,將十個(gè)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(yùn)動(dòng)模式的試驗(yàn),對(duì)其運(yùn)動(dòng)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(cè)試的區(qū)域和測(cè)試過(guò)程中存在的問(wèn)題;接下來(lái)對(duì)實(shí)驗(yàn)者的下肢進(jìn)行反光標(biāo)記,建立靜態(tài)模型;最后對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行講解,要求實(shí)驗(yàn)者在此過(guò)程中要掌握動(dòng)作要領(lǐng),明確開始位置和最終結(jié)束位置;實(shí)驗(yàn)者在進(jìn)行四種運(yùn)動(dòng)模式時(shí),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(cè)試出十組數(shù)據(jù),確保數(shù)據(jù)的真實(shí)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(dòng)力來(lái)源,計(jì)算出電機(jī)的脈沖變化規(guī)律對(duì)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(dòng),是一種數(shù)學(xué)模型,對(duì)有限個(gè)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(gè)周期的步態(tài)的調(diào)節(jié)方法,并做出了理論分析曲線。對(duì)步態(tài)變換時(shí)兩種不理想情況即過(guò)早、不及時(shí)給出一定的解決方法,根據(jù)周期比例對(duì)求出運(yùn)動(dòng)速度,避免速度過(guò)快或者過(guò)慢情況的出現(xiàn)

5）影響膝關(guān)節(jié)假肢運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)形式,[4]分析膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)和所需能力,通過(guò)cosmotion等軟件進(jìn)一步研究膝關(guān)節(jié)假體的動(dòng)態(tài)類型,以力學(xué)理論為主要依據(jù)和理論來(lái)源,用相機(jī)記錄健康人體的下肢運(yùn)動(dòng)。正常人的親身實(shí)踐作為膝關(guān)節(jié)假肢安裝的重要支撐之一,最后通過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,計(jì)算出膝關(guān)節(jié)在不同運(yùn)動(dòng)模式下的不同形態(tài)以及運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的大小,探索出一定的運(yùn)動(dòng)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(dòng)力來(lái)源,計(jì)算出電機(jī)的脈沖變化規(guī)律對(duì)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(yǔ)

膝關(guān)節(jié)是人類身體活動(dòng)的重要部位,對(duì)人體的活動(dòng)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(duì)膝關(guān)節(jié)處假肢進(jìn)行全動(dòng)力型研究是我們需要研究的問(wèn)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(dòng),在外觀上與常人無(wú)較大差距,提高自主活動(dòng)。