杜婷婷　寧祎　杜挺豪

摘 要：通過對國內(nèi)外各機構(gòu)對智能仿生踝足的研究進行總結(jié)，對仿生踝足的未來發(fā)展趨勢進行展望。目前，對踝足的研究大多是基于殘疾人穿戴的假肢，而用于仿人機器人的踝足研究少之又少，仿人機器人作為未來重要的發(fā)展對象，其仿生踝足的設(shè)計將成為智能仿生踝足的又一新的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：假肢；仿生踝足；仿人機器人

引言

仿生技術(shù)在不斷發(fā)展，假肢腳技術(shù)也在持續(xù)提高中。最近假肢研究人員認(rèn)為要解決的關(guān)鍵而緊迫的問題是“模仿人類全部的腳踝行為”，這就有了仿生踝足的開發(fā)。大多數(shù)仿生踝足目前仍在研究開發(fā)水平，極少數(shù)裝置已經(jīng)商業(yè)化。

1 國外的發(fā)展

按照驅(qū)動方式，仿生智能踝足的研究可以分為液壓型、氣動型、電動型三種。

1.1 液壓型

日本大阪大學(xué)某實驗室的科研人員采用磁流變阻尼控制原理，開發(fā)了一種被動踝關(guān)節(jié)假肢[1]，其主要結(jié)構(gòu)是一個裝有磁流變液的液壓缸，結(jié)構(gòu)簡單，可無級調(diào)控，如圖1（a）所示。在關(guān)節(jié)軸上安裝有旋轉(zhuǎn)型電位器，可以測量踝關(guān)節(jié)的角度，并把角度作為輸入量，改變線圈電流，進而調(diào)整液壓缸內(nèi)磁場， 使踝足假肢背屈跖屈的阻尼遵循期望值改變，具有一定的智能。

1.2 氣動型

Robotics&Multibody Mechanics research group研究小組（Vrije大學(xué)，布魯塞爾，比利時），開發(fā)了裝有百褶氣動人工肌肉的小腿假肢原型[2]，如圖1（b）所示。假肢原型配備了三個PPAMs，1個放置在前面，2個放置在后面并行工作。僅用3bar肌肉的壓力，就可以容易地實現(xiàn)200Nm的高力矩輸出，腳踝運動范圍也可以達到30度。作為第一臺原型機，提供了一個概念驗證和評估控制算法的測試平臺，而氣壓動力和自主性方面問題尚未得到研究。

1.3 電動型

電驅(qū)動踝足假肢的研究工作大部分來自美國麻省理工學(xué)院（MIT）的Media實驗室。這個實驗室Hugh Herr領(lǐng)導(dǎo)的研究小組十幾年來對仿生踝足的研究一直都在持續(xù)進行中。迄今MIT實驗室已經(jīng)制造了電動踝足假肢[3-5]，如圖1（c）所示，它能夠模仿正常人體以自選的中等速度在水平地面行走過程中踝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)行為。該系統(tǒng)使用一個SEA（串聯(lián)彈性驅(qū)動器）提供正常行走所需要的動力，控制器設(shè)計采用微控制器和傳感器結(jié)合的方法，用有限狀態(tài)控制器進行控制。

2 國內(nèi)的發(fā)展

清華大學(xué)、河北工業(yè)大學(xué)和國家康復(fù)輔具研究中心三家單位合作，分工進行了阻尼可變式智能假肢踝關(guān)節(jié)的研究工作[6]。如圖2（a）所示，這個假肢踝關(guān)節(jié)有一個針閥元件，針閥的大小控制著氣室與大氣之間的氣體流動，從而控制活塞的往復(fù)運動，進而帶動踝關(guān)節(jié)做跖屈或背屈運動，具有一定的智能性。

北京大學(xué)設(shè)計的柔性動力踝關(guān)節(jié)和腳趾關(guān)節(jié)的智能動力膝假肢[7]。如圖2（b）所示，該踝足在踝關(guān)節(jié)處與跖趾關(guān)節(jié)處分別用一個SEA裝置，其控制原理與MIT的Media實驗室思路相同。

3 展望

由前所述，目前的研究大多還停留在假肢研究階段，并且技術(shù)相對越來越成熟，但隨著仿人機器人的發(fā)展，機器人的仿生踝足設(shè)計也將成為很多研究人員的重點目標(biāo)。仿生踝足是仿人機器人與地面直接接觸的支撐點，并在調(diào)整機器人姿態(tài)和穩(wěn)定行走中發(fā)揮重要作用，因此對仿生踝足的研究是雙足步行機器人技術(shù)中的一個難點。為仿人機器人雙足步行開發(fā)仿生踝足，不是簡單地對已有的踝足假肢結(jié)構(gòu)直接移植使用，而是要根據(jù)仿人機器人的技術(shù)要求，有針對性地進行創(chuàng)新和改進。相信在不久的將來，機器人的仿生智能踝足設(shè)計將成為智能踝足的又一新的發(fā)展趨勢。

參考文獻

[1]Chengqiu Li， Miwa Tokuda， Junji Furusho， et al. Research and Development of the Intelligently Controlled Prosthetic Ankle Joint[C].IEEE International Confference on Mechatronics and Automation，2006：1114-1119.

[2]B. Vanderborght， D. Lefeber， F. Daerden， and M. Van Damme. Controlling a bipedal walking robot actuated by pleated pneumatic artificial muscles. Robotica[J].2006，V24（4）： 401-410.

[3]S. K. Au， J. Weber， H. Herr. Powered Ankle-Foot Prosthesis Improves Walking Metabolic Economy[C]. IEEE Transactions on Robotics，2009，V25（1）：51-66.

[4]Jing Wang， Oliver A Kannape Hugh M Herr. Proportional EMG Control of Ankle Plantar Flexion in a Powered Transtibial Prosthesis[C]. International Conference on Rehabilitation Robotics （ICORR）， 2013.

[5]David Hill， Hugh Herr. Effects of a powered ankle-foot prosthesis on kinetic loading of the contralateral limb： A case series[C]. IEEE Int. Conf. On Rehabil and Robot，2013.

[6]楊鵬，柏健，王欣然，等.基于有限狀態(tài)機控制的智能假肢踝關(guān)節(jié)[J].中國組織工程研究，2013，17（9）：1549-1554.

[7]Jingying Zhu， Qining Wang， Long Wang. Biomechanical Design of powered Ankle-foot Prosthetic witlh Compliant Joints and Segmented foot.