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        智能仿生踝足的研究進(jìn)展及展望

        2016-05-14 16:43:52杜婷婷寧祎杜挺豪
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2016年9期
        關(guān)鍵詞:假肢

        杜婷婷 寧祎 杜挺豪

        摘 要:通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外各機(jī)構(gòu)對(duì)智能仿生踝足的研究進(jìn)行總結(jié),對(duì)仿生踝足的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。目前,對(duì)踝足的研究大多是基于殘疾人穿戴的假肢,而用于仿人機(jī)器人的踝足研究少之又少,仿人機(jī)器人作為未來(lái)重要的發(fā)展對(duì)象,其仿生踝足的設(shè)計(jì)將成為智能仿生踝足的又一新的發(fā)展趨勢(shì)。

        關(guān)鍵詞:假肢;仿生踝足;仿人機(jī)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(wèn)題是“模仿人類(lèi)全部的腳踝行為”,這就有了仿生踝足的開(kāi)發(fā)。大多數(shù)仿生踝足目前仍在研究開(kāi)發(fā)水平,極少數(shù)裝置已經(jīng)商業(yè)化。

        1 國(guó)外的發(fā)展

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

        1.1 液壓型

        日本大阪大學(xué)某實(shí)驗(yàn)室的科研人員采用磁流變阻尼控制原理,開(kāi)發(fā)了一種被動(dòng)踝關(guān)節(jié)假肢[1],其主要結(jié)構(gòu)是一個(gè)裝有磁流變液的液壓缸,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可無(wú)級(jí)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(cè)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(jìn)而調(diào)整液壓缸內(nèi)磁場(chǎng), 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(dòng)型

        Robotics&Multibody Mechanics research group研究小組(Vrije大學(xué),布魯塞爾,比利時(shí)),開(kāi)發(fā)了裝有百褶氣動(dòng)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(gè)PPAMs,1個(gè)放置在前面,2個(gè)放置在后面并行工作。僅用3bar肌肉的壓力,就可以容易地實(shí)現(xiàn)200Nm的高力矩輸出,腳踝運(yùn)動(dòng)范圍也可以達(dá)到30度。作為第一臺(tái)原型機(jī),提供了一個(gè)概念驗(yàn)證和評(píng)估控制算法的測(cè)試平臺(tái),而氣壓動(dòng)力和自主性方面問(wèn)題尚未得到研究。

        1.3 電動(dòng)型

        電驅(qū)動(dòng)踝足假肢的研究工作大部分來(lái)自美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)的Media實(shí)驗(yàn)室。這個(gè)實(shí)驗(yàn)室Hugh Herr領(lǐng)導(dǎo)的研究小組十幾年來(lái)對(duì)仿生踝足的研究一直都在持續(xù)進(jìn)行中。迄今MIT實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)制造了電動(dòng)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(guò)程中踝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)行為。該系統(tǒng)使用一個(gè)SEA(串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器)提供正常行走所需要的動(dòng)力,控制器設(shè)計(jì)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(jìn)行控制。

        2 國(guó)內(nèi)的發(fā)展

        清華大學(xué)、河北工業(yè)大學(xué)和國(guó)家康復(fù)輔具研究中心三家單位合作,分工進(jìn)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(gè)假肢踝關(guān)節(jié)有一個(gè)針閥元件,針閥的大小控制著氣室與大氣之間的氣體流動(dòng),從而控制活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng),進(jìn)而帶動(dòng)踝關(guān)節(jié)做跖屈或背屈運(yùn)動(dòng),具有一定的智能性。

        北京大學(xué)設(shè)計(jì)的柔性動(dòng)力踝關(guān)節(jié)和腳趾關(guān)節(jié)的智能動(dòng)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(gè)SEA裝置,其控制原理與MIT的Media實(shí)驗(yàn)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(duì)越來(lái)越成熟,但隨著仿人機(jī)器人的發(fā)展,機(jī)器人的仿生踝足設(shè)計(jì)也將成為很多研究人員的重點(diǎn)目標(biāo)。仿生踝足是仿人機(jī)器人與地面直接接觸的支撐點(diǎn),并在調(diào)整機(jī)器人姿態(tài)和穩(wěn)定行走中發(fā)揮重要作用,因此對(duì)仿生踝足的研究是雙足步行機(jī)器人技術(shù)中的一個(gè)難點(diǎn)。為仿人機(jī)器人雙足步行開(kāi)發(fā)仿生踝足,不是簡(jiǎn)單地對(duì)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(jī)器人的技術(shù)要求,有針對(duì)性地進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn)。相信在不久的將來(lái),機(jī)器人的仿生智能踝足設(shè)計(jì)將成為智能踝足的又一新的發(fā)展趨勢(shì)。

        參考文獻(xiàn)

        [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(jī)控制的智能假肢踝關(guān)節(jié)[J].中國(guó)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.

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