顧洪，李偉達(dá)，李娟

智能膝關(guān)節(jié)假肢研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)①

顧洪，李偉達(dá)，李娟

隨著下肢截肢患者的增多以及微電子、控制等技術(shù)的不斷發(fā)展，智能下肢假肢逐漸成為康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。作為下肢假肢系統(tǒng)的核心部件，高性能的膝關(guān)節(jié)假肢設(shè)計(jì)仍然是當(dāng)前假肢設(shè)計(jì)中的主要技術(shù)難點(diǎn)。本文介紹國(guó)內(nèi)外智能膝關(guān)節(jié)假肢的發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度對(duì)現(xiàn)有膝關(guān)節(jié)假肢進(jìn)行分類，分析當(dāng)前膝關(guān)節(jié)假肢設(shè)計(jì)中存在的問題，最后探討膝關(guān)節(jié)假肢的發(fā)展趨勢(shì)。

智能假肢；膝關(guān)節(jié)假肢；設(shè)計(jì)；綜述

［本文著錄格式］顧洪，李偉達(dá)，李娟.智能膝關(guān)節(jié)假肢研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.中國(guó)康復(fù)理論與實(shí)踐，2016，22（9）:1080-1085.

CITED AS:Gu H，LiWD，Li J.State-of-the-artand developmentof intelligent knee prosthesis（review）［J］.Zhongguo Kangfu Lilun Yu Shijian，2016，22（9）:1080-1085.

第二次全國(guó)殘疾人抽樣調(diào)查顯示，我國(guó)截肢者約為226萬(wàn)，占?xì)埣踩藬?shù)的8%［1］。在63萬(wàn)迫切需要安裝假肢的截肢者中，下肢截肢者約44萬(wàn)，占70%［1］。假肢是截肢者重要的運(yùn)動(dòng)功能替代工具，是為彌補(bǔ)截肢者肢體缺損，代償肢體功能而制造、裝配的人工肢體［2］。下肢假肢，尤其是膝關(guān)節(jié)假肢的普及和安裝，是當(dāng)前解決截肢者基本需要的一項(xiàng)迫切任務(wù)。

膝關(guān)節(jié)是一種高度非線性、時(shí)變、強(qiáng)耦合的系統(tǒng)［3］。作為下肢假肢最重要的部分，智能膝關(guān)節(jié)假肢要能夠根據(jù)步態(tài)變化自動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)，保證關(guān)節(jié)在支撐期有較好的穩(wěn)定性，在擺動(dòng)期有較好的靈活性，對(duì)智能膝關(guān)節(jié)假肢的設(shè)計(jì)和控制提出較高要求，是當(dāng)今下肢假肢設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

1　智能膝關(guān)節(jié)假肢發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

1.1國(guó)外智能膝關(guān)節(jié)假肢發(fā)展歷程

20世紀(jì)70年代初，F(xiàn)lowers等開始對(duì)微處理器控制假肢膝關(guān)節(jié)技術(shù)進(jìn)行研究，致力于對(duì)健康腿信息反饋式假肢樣機(jī)的設(shè)計(jì)［4］。80年代開始，M yers等嘗試將肌電信號(hào)應(yīng)用于膝關(guān)節(jié)假肢控制［4］。1986年，中川昭夫等提出利用微處理器控制針閥，構(gòu)想基于微處理器的氣動(dòng)式擺動(dòng)相控制膝關(guān)節(jié)［5］。1990年，英國(guó)Blatchford公司獲得中川昭夫的許可，其工程師Zahedi于1993年研制出世界上第一款微處理器控制的智能假肢I(xiàn)P（Intelligent Prosthesis），并在對(duì)IP性能進(jìn)行完善后于1994年研制出了IP+［4-5］。1994年，日本NABCO公司研制出類似于IP+的膝關(guān)節(jié)NI-C111［5-6］。以上智能假肢均只對(duì)擺動(dòng)相進(jìn)行控制，并且根據(jù)預(yù)先算好存入控制器的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

1997年，德國(guó)OTTO BOCK公司發(fā)明C-Leg智能仿生腿，利用膝關(guān)節(jié)角度和踝關(guān)節(jié)力矩判斷假肢擺動(dòng)的速度和位置，通過(guò)調(diào)節(jié)液壓缸阻尼來(lái)保證行走過(guò)程中的穩(wěn)定和安全［5，7］。1998年，ENDONITE公司研制Adaptive Knee，該假肢站立相由液壓驅(qū)動(dòng)，擺動(dòng)相由氣壓驅(qū)動(dòng)；之后推出新版本Adaptive2［7］。2001年，冰島OSSUR公司推出仿生磁控膝關(guān)節(jié)Rheo Knee［7］，利用陀螺儀等傳感器分析足部運(yùn)動(dòng)信息，從而控制智能膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)［5］。以上智能假肢能夠根據(jù)傳感器計(jì)算、估計(jì)當(dāng)前步態(tài)，對(duì)關(guān)節(jié)參數(shù)實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)整，做到閉環(huán)控制；對(duì)站立相和擺動(dòng)相均能進(jìn)行控制。

2006年，OSSUR公司研制出世界上第一款主動(dòng)型人工智能假肢POWERKNEE。該假肢采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，代替原有的腿部肌肉實(shí)現(xiàn)假肢的主動(dòng)彎曲伸展功能，克服了阻尼式假肢無(wú)法主動(dòng)做功的缺陷，能更好實(shí)現(xiàn)上樓梯等需要主動(dòng)做功的步態(tài)。該假肢目前也是市場(chǎng)上唯一一款動(dòng)力腿［5，7］。之后OTTO BOCK公司在C-Leg基礎(chǔ)上推出了智能仿生膝關(guān)節(jié)Genium，能夠完成越障、交替上下樓梯等較為復(fù)雜的動(dòng)作，行走步態(tài)也更為自然［］。

近年來(lái)，國(guó)外智能膝關(guān)節(jié)產(chǎn)品見表1［10-12］。

表1　國(guó)外現(xiàn)有智能膝關(guān)節(jié)假肢產(chǎn)品

1.2國(guó)內(nèi)智能膝關(guān)節(jié)假肢發(fā)展歷程

我國(guó)對(duì)智能膝上假肢的研究始于20世紀(jì)80年代初。清華大學(xué)在國(guó)家自然科學(xué)基金資助下，開展電流變液和電動(dòng)摩擦錐膝關(guān)節(jié)自適應(yīng)阻尼控制裝置的研究，并且在下肢假肢建模及其肌電控制方法方面進(jìn)行大量的研究［13-14］。金德聞等設(shè)計(jì)六連桿假肢［15］，對(duì)多軸膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性進(jìn)行研究。上海理工大學(xué)喻洪流等設(shè)計(jì)基于小腦模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的智能膝上假肢，設(shè)計(jì)了假肢膝關(guān)節(jié)電控液壓缸，在健肢上安裝便攜式檢測(cè)機(jī)構(gòu)得到膝關(guān)節(jié)角度，從而控制假肢步態(tài)［16］。中南大學(xué)譚冠政等研制出智能仿生人工腿CIP-ILeg，設(shè)計(jì)出一種基于非線性PID控制的人工腿位置伺服控制系統(tǒng)，利用霍爾傳感器判斷步速，通過(guò)調(diào)節(jié)針閥位置改變氣壓阻尼來(lái)適應(yīng)步速［17］。北京大學(xué)王啟寧等設(shè)計(jì)出基于動(dòng)態(tài)行走機(jī)理的“機(jī)器人假肢”，利用腳底壓力傳感器系統(tǒng)探測(cè)健腿的行走狀態(tài)，從而控制假肢的狀態(tài)［5］。東北大學(xué)徐心和等對(duì)磁流變液智能假腿進(jìn)行研究，通過(guò)步態(tài)感知系統(tǒng)得到假肢擺動(dòng)相的各種信息及理想步態(tài)，通過(guò)調(diào)節(jié)阻尼力矩實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)相膝力矩的自動(dòng)控制［18］。河北工業(yè)大學(xué)楊鵬等對(duì)人體下肢表面肌電信號(hào)進(jìn)行采集和模式識(shí)別，研制氣動(dòng)膝關(guān)節(jié)原型樣機(jī)［5］。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)也出現(xiàn)自主研發(fā)的智能膝關(guān)節(jié)假肢產(chǎn)品，見表2。臺(tái)灣德林假肢有限公司推出三款多連桿大腿智能假肢產(chǎn)品，其中V One為四連桿假肢，TGK-5PSOIC、ADLIB為五連桿假肢。2009年河北工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)以及國(guó)家康復(fù)輔具研究中心在“十一五”計(jì)劃支持下研發(fā)氣壓四連桿智能膝關(guān)節(jié)，已由北京精博現(xiàn)代假肢矯形器技術(shù)開發(fā)公司小批量生產(chǎn)并作為?？倒こ膛浒l(fā)［19］。北京東方瑞盛假肢矯形器發(fā)展技術(shù)有限公司也有一款自主研發(fā)的氣壓四連桿智能膝關(guān)節(jié)。

表2　國(guó)內(nèi)現(xiàn)有智能膝關(guān)節(jié)假肢產(chǎn)品

我國(guó)在假肢研究方面起步較晚，與歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍然存在較大差距。但是對(duì)智能下肢假肢，特別是膝關(guān)節(jié)假肢的研究發(fā)展迅速，國(guó)內(nèi)許多高校和機(jī)構(gòu)均展開了相應(yīng)研究，并取得一定成果。目前，國(guó)外智能假肢產(chǎn)品技術(shù)比較成熟，價(jià)格較為昂貴［12］，國(guó)內(nèi)假肢公司仍無(wú)法滿足患者對(duì)高性能假肢的需求。

1.3現(xiàn)有智能膝關(guān)節(jié)假肢現(xiàn)狀

現(xiàn)階段全世界智能假肢產(chǎn)品多種多樣，處于實(shí)驗(yàn)室研究階段的假肢樣機(jī)更是種類繁多。下面按照關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式、驅(qū)動(dòng)類型、轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)等對(duì)智能膝關(guān)節(jié)假肢進(jìn)行分類闡述［6，20］。

1.3.1關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式

智能膝關(guān)節(jié)假肢按照關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式可分為主動(dòng)型和被動(dòng)型。

主動(dòng)型假肢主要以電機(jī)作為動(dòng)力源，能夠代替腿部肌肉提供力矩，使膝關(guān)節(jié)主動(dòng)彎曲、伸展。但電機(jī)自重大、能量轉(zhuǎn)化率低、功耗高，運(yùn)行時(shí)噪聲大；電池容量小、體積重量大、續(xù)航短，這些問題是主動(dòng)型假肢產(chǎn)品面臨的主要技術(shù)難題。市場(chǎng)上唯一的一款主動(dòng)型假肢產(chǎn)品是OSSUR公司的POWER KNEE。也有研究機(jī)構(gòu)用氣壓、液壓作為動(dòng)力源進(jìn)行主動(dòng)型假肢的研究［21］。主動(dòng)型膝關(guān)節(jié)假肢的分類見表3。

被動(dòng)型假肢（也稱為阻尼式假肢）不提供主動(dòng)力矩，行走時(shí)通過(guò)大腿殘肢帶動(dòng)假肢小腿擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)行走。假肢根據(jù)外界條件的變化調(diào)節(jié)膝關(guān)節(jié)阻尼力矩實(shí)現(xiàn)步態(tài)調(diào)整。由于控制方式相對(duì)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)難度相對(duì)較小，同時(shí)能耗相對(duì)較低，市場(chǎng)上主流產(chǎn)品均為被動(dòng)阻尼式假肢。

1.3.2驅(qū)動(dòng)類型

阻尼式假肢按照驅(qū)動(dòng)類型可以分為氣壓、液壓、磁流變、電流變、機(jī)械摩擦等（表4）［6］。阻尼式假肢提供的阻尼可以分為流體阻尼和摩擦阻尼兩種。其中，氣壓和液壓的阻尼原理類似，通過(guò)調(diào)節(jié)閥門開度大小改變流體的阻尼。由于氣體壓縮性較大，氣壓提供的阻尼力矩較小、阻尼器動(dòng)作較快，適用于擺動(dòng)相；液壓能提供較大的阻尼力矩，既適用于支撐相也適用于擺動(dòng)相。

表3　主動(dòng)型膝關(guān)節(jié)假肢及其分類

表4　阻尼式膝關(guān)節(jié)假肢及其分類

磁流變和電流變阻尼假肢的原理是在不同磁場(chǎng)、電場(chǎng)的作用下，磁流變液和電流變液的黏性不同，改變磁場(chǎng)強(qiáng)度或電場(chǎng)強(qiáng)度即可改變流體的阻尼，這種類型阻尼器不需機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)調(diào)節(jié)的反應(yīng)也更加迅速。市場(chǎng)上已經(jīng)有磁流變假肢產(chǎn)品出現(xiàn)，但電流變假肢由于技術(shù)原因仍在實(shí)驗(yàn)室階段。

摩擦阻尼式假肢通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來(lái)產(chǎn)生摩擦阻尼，但實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確穩(wěn)定的力矩控制以及建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型均有很大難度，現(xiàn)在還沒有摩擦式智能膝關(guān)節(jié)產(chǎn)品［6］。

1.3.3轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)

膝關(guān)節(jié)假肢按照結(jié)構(gòu)可以分為單軸假肢和多連桿假肢。

單軸膝關(guān)節(jié)只有單個(gè)回轉(zhuǎn)軸，在擺動(dòng)期的靈活性較高，但支撐期不夠穩(wěn)定。由于結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，模型的建立比較容易，同時(shí)也能夠允許假肢實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，現(xiàn)有的智能膝關(guān)節(jié)假肢產(chǎn)品除了IntelligentKnee（Four-barAxis）以及國(guó)內(nèi)的氣壓多連桿假肢之外，均為單軸結(jié)構(gòu)；在實(shí)驗(yàn)室研究中，單軸膝關(guān)節(jié)的研究也占主要部分。

多軸膝關(guān)節(jié)大多為多連桿膝關(guān)節(jié)（四連桿、五連桿或六連桿），多連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)使轉(zhuǎn)動(dòng)中心可以以一定的軌跡移動(dòng)，更加符合人體正常行走時(shí)膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)中心的變化，在伸展時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)瞬心可以大大高于轉(zhuǎn)動(dòng)軸，彎曲時(shí)快速下降至轉(zhuǎn)軸附近，使其伸展靈活，同時(shí)支撐期也能保持穩(wěn)定。

智能多連桿假肢大多采用四連桿結(jié)構(gòu)，NABTESCO公司的IntelligentKnee（Four-bar Axis）、臺(tái)灣德林公司的V One以及北京精博的假肢是已經(jīng)產(chǎn)品化的四連桿智能假肢；河北工業(yè)大學(xué)的楊鵬等則分別研究了氣壓、電機(jī)驅(qū)動(dòng)的四連桿膝關(guān)節(jié)［5，28］。臺(tái)灣德林公司也研發(fā)了五連桿智能假肢TGK-5PSOIC以及ADLIB智能假肢。

2　存在的問題

現(xiàn)有智能膝關(guān)節(jié)假肢產(chǎn)品大多為被動(dòng)阻尼式假肢，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)平地行走，甚至上下坡、上下樓梯、越障等動(dòng)作，但無(wú)法提供主動(dòng)力矩，同時(shí)與人體正常步態(tài)仍有較大差距［34-37］，在步態(tài)的對(duì)稱性以及自然性方面還需進(jìn)一步提高［38］?，F(xiàn)有假肢通過(guò)利用步速、力矩、角度等運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)信息判斷人體行走的模式進(jìn)行控制，對(duì)假肢穿戴者的運(yùn)動(dòng)意圖還不能準(zhǔn)確有效識(shí)別［5］，嚴(yán)格意義上只能說(shuō)是微控制器控制假肢，不能真正做到“智能”，假肢與人體的協(xié)調(diào)控制還需要提高。

主動(dòng)式假肢能夠提供主動(dòng)力矩以實(shí)現(xiàn)上下樓梯、上下坡等功能，但目前主動(dòng)式膝關(guān)節(jié)假肢的研究大多在實(shí)驗(yàn)室階段?，F(xiàn)有的唯一主動(dòng)膝關(guān)節(jié)假肢產(chǎn)品為Ossur公司的Power Knee。該假肢以電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器，耗能較大、同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生噪聲，電池有較大的體積和重量，未廣泛使用。實(shí)驗(yàn)室對(duì)于主動(dòng)式假肢的研究也只是假肢運(yùn)動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)，對(duì)于質(zhì)量、體積、能耗等因素考慮較少，離實(shí)際使用還有很大距離。人體和膝關(guān)節(jié)兩系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制也是動(dòng)力型膝關(guān)節(jié)研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。體積、質(zhì)量、結(jié)構(gòu)、能耗、續(xù)航以及較復(fù)雜的控制技術(shù)成為限制主動(dòng)式假肢的主要因素。

3　研究趨勢(shì)

3.1主被動(dòng)混合驅(qū)動(dòng)

為彌補(bǔ)被動(dòng)阻尼式假肢無(wú)法提供主動(dòng)力矩的不足，同時(shí)利用其在無(wú)需主動(dòng)力矩情況下較好的阻尼性能，研究人員嘗試將主動(dòng)驅(qū)動(dòng)與被動(dòng)驅(qū)動(dòng)相結(jié)合，設(shè)計(jì)主被動(dòng)混合驅(qū)動(dòng)，或半主動(dòng)的智能假肢。這樣的設(shè)計(jì)也符合人體正常的行走規(guī)律：在正常行走過(guò)程中，膝關(guān)節(jié)大部分時(shí)間充當(dāng)阻尼器，只有在上坡、上樓梯等需要主動(dòng)力矩的情況下才主動(dòng)發(fā)力做功。

伯克利大學(xué)的Lambrecht［30］和Pillai［29］分別研制了半主動(dòng)式膝關(guān)節(jié)假肢和膝踝關(guān)節(jié)假肢。使用液壓泵作為動(dòng)力源，設(shè)計(jì)液壓回路將主動(dòng)和被動(dòng)兩種控制方式結(jié)合在一起。這兩款假肢通過(guò)控制伺服閥實(shí)現(xiàn)主動(dòng)力矩輸出狀態(tài)、被動(dòng)液壓阻尼狀態(tài)等狀態(tài)之間的切換，最終實(shí)現(xiàn)主被動(dòng)混合控制。

東北大學(xué)聞時(shí)光等將磁流變阻尼器與直流電機(jī)相結(jié)合，以滾珠絲杠進(jìn)行傳動(dòng)，設(shè)計(jì)出混合驅(qū)動(dòng)四連桿膝關(guān)節(jié)［39］。假肢行走時(shí)主要使用磁流變阻尼器，利用其阻尼特性實(shí)現(xiàn)正常行走步態(tài)；當(dāng)要進(jìn)行上樓等需要主動(dòng)力矩的動(dòng)作時(shí)，電機(jī)再介入。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的吳波等對(duì)基于磁流變阻尼器的四連桿混合驅(qū)動(dòng)智能假肢進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真分析［40］。

3.2膝踝一體化設(shè)計(jì)

目前，市場(chǎng)上針對(duì)大腿截肢患者的解決方案一般為智能膝關(guān)節(jié)假肢和被動(dòng)機(jī)械式踝關(guān)節(jié)假肢以及假腳的組合，或者智能膝關(guān)節(jié)假肢和智能踝關(guān)節(jié)假肢的簡(jiǎn)單組合。實(shí)驗(yàn)室大多數(shù)單獨(dú)對(duì)膝關(guān)節(jié)或踝關(guān)節(jié)進(jìn)行研究并設(shè)計(jì)假肢。以上設(shè)計(jì)在步態(tài)等性能上與正常行走特征有很大差距。正常行走是膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)相互耦合作用，因此較好的方式是將膝關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)與踝關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，同時(shí)考慮膝、踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行膝踝一體化設(shè)計(jì)。見表5。

表5　膝踝耦合一體化假肢產(chǎn)品及樣機(jī)分類

膝踝一體化設(shè)計(jì)，即膝踝耦合聯(lián)動(dòng)的設(shè)計(jì)，主要包括兩種方式：通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行耦合，或者通過(guò)控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。前者通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)將膝、踝兩個(gè)關(guān)節(jié)連接在一起，使兩者按一定的關(guān)系進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，但兩個(gè)關(guān)節(jié)只有一個(gè)自由度，運(yùn)動(dòng)關(guān)系單一且不能靈活變化，通常用于純機(jī)械結(jié)構(gòu)式假肢設(shè)計(jì)；后者的膝、踝關(guān)節(jié)可以獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，通過(guò)控制系統(tǒng)按照人體正常步態(tài)規(guī)律對(duì)兩個(gè)關(guān)節(jié)共同控制，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)耦合運(yùn)動(dòng)；優(yōu)點(diǎn)在于膝踝運(yùn)動(dòng)關(guān)系靈活，可以適應(yīng)不同步態(tài)的要求，難點(diǎn)在于膝踝關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)控制。

3.3步態(tài)周期內(nèi)能量的收集與利用

為了更好完成復(fù)雜的膝關(guān)節(jié)功能，需要有電機(jī)提供主動(dòng)力矩。限制電機(jī)使用的重要原因之一是能耗太大。有學(xué)者從下肢假肢步態(tài)周期內(nèi)膝、踝關(guān)節(jié)做功以及能量的流動(dòng)入手進(jìn)行研究［42］。膝、踝關(guān)節(jié)能量的分布主要有一個(gè)能量產(chǎn)生部分G以及三個(gè)能量的吸收部分A1、A2、A3。在從腳跟觸地開始的站立相中，膝關(guān)節(jié)既吸收能量也釋放能量，平均能量為0，踝關(guān)節(jié)一直被動(dòng)彎曲吸收能量（A3）部分；在蹬地階段，踝關(guān)節(jié)產(chǎn)生蹬地的主要的動(dòng)能G，膝關(guān)節(jié)彎曲吸收能量（A1）；在擺動(dòng)相，膝關(guān)節(jié)產(chǎn)生伸展阻尼繼續(xù)吸收能量（A2），踝關(guān)節(jié)在這一階段的能量可以忽略。可見在正常步態(tài)周期中，膝關(guān)節(jié)主要是能量吸收部位，踝關(guān)節(jié)主要是能量生成部位，生成能量G的大小與A1、A2、A3的總和基本相同。

根據(jù)上述原理，Unal等設(shè)計(jì)一款能夠存儲(chǔ)和釋放能量的純機(jī)械下肢假肢，以減少人體行走時(shí)能量的消耗。他們使用3個(gè)彈簧，利用彈簧的特性以及所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)將行走時(shí)所吸收的能量A1、A2、A3吸收，并轉(zhuǎn)移至蹬地時(shí)釋放（G），實(shí)現(xiàn)能量?jī)?nèi)部的自流動(dòng)，減少對(duì)外部能量的需求［41-42］。Arnout等使用拉簧、壓簧、繩線以及棘輪設(shè)計(jì)下肢假肢，并利用膝、踝關(guān)節(jié)在角度、力矩等關(guān)系進(jìn)行耦合，將膝關(guān)節(jié)在站立相吸收的能量轉(zhuǎn)移至踝關(guān)節(jié)，為蹬地時(shí)提供能量［46］。

Andrysek［47］和Rarick［48］等利用電磁馬達(dá)作為發(fā)電機(jī)時(shí)可以對(duì)電池進(jìn)行充電的特性，行走時(shí)利用電磁馬達(dá)收集能量為電池充電，從而減少對(duì)電池人工充電的次數(shù)，延長(zhǎng)使用時(shí)間；同時(shí)研究電磁馬達(dá)在不同電路負(fù)載下的阻尼特性，以在擺動(dòng)相內(nèi)利用。這為研究行走時(shí)能量收集重利用提供了另一種思路。

3.4彈性驅(qū)動(dòng)器的使用

電機(jī)的剛性以及較大的能量耗散是主動(dòng)式假肢設(shè)計(jì)中需要克服的難題。串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器SEA（series-elastic actuator）相對(duì)電機(jī)有許多優(yōu)勢(shì)：可以降低假肢對(duì)能量峰值的需求、更好地模擬人體肌肉運(yùn)動(dòng)。較好的人工交互性能使假肢具有較好的柔性和適應(yīng)性，從而提高穿戴者的舒適性［49］。研究者將彈簧等柔順機(jī)構(gòu)引入假肢的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)彈性驅(qū)動(dòng)器。

Martinez-Villalpando等模擬人體膝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)拮抗型膝關(guān)節(jié)假肢，兩個(gè)彈性驅(qū)動(dòng)器模擬膝關(guān)節(jié)的肌肉使膝關(guān)節(jié)進(jìn)行彎曲和伸展［26］。Rouse等設(shè)計(jì)可分離的串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器CSEA（Clutchable series-elastic actuator）并將其用于主動(dòng)式膝關(guān)節(jié)假肢設(shè)計(jì)中［50］。這兩種設(shè)計(jì)均降低了能量消耗。

付成龍等設(shè)計(jì)的主動(dòng)型假肢的踝關(guān)節(jié)利用伺服電機(jī)連接板簧，形成彈性驅(qū)動(dòng)器［27］。Sup等在主動(dòng)型假肢的設(shè)計(jì)中也增加了彈簧以儲(chǔ)存能量。

3.5生物電信號(hào)的研究和利用

目前，根據(jù)系統(tǒng)的傳感器及相關(guān)的數(shù)據(jù)處理，還無(wú)法較好識(shí)別假肢穿戴者的運(yùn)動(dòng)意圖，人、假肢以及環(huán)境三者間不能進(jìn)行有效的信息交互與協(xié)調(diào)控制，也就難以實(shí)現(xiàn)在多種路況、不同步速、不同行走階段情況下的理想控制效果［5］。未來(lái)智能下肢假肢將突出對(duì)人體生物信號(hào)的利用，包括肌電、腦電、心電信號(hào)等。結(jié)合人體的運(yùn)動(dòng)學(xué)信息以及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，完成假肢穿戴者與智能假肢之間的信息交互和反饋，提高步態(tài)的自然性、對(duì)稱性以及對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。

4　總結(jié)

國(guó)外膝關(guān)節(jié)假肢研究起步較早、技術(shù)成熟，市場(chǎng)上有多種智能假肢產(chǎn)品；國(guó)內(nèi)研究起步較晚，但近年來(lái)發(fā)展迅速，許多高校及研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究，市場(chǎng)上也出現(xiàn)自主研發(fā)的產(chǎn)品。

根據(jù)主/被動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式、驅(qū)動(dòng)類型以及關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸數(shù)量分別對(duì)假肢進(jìn)行分類比較，指出現(xiàn)有假肢無(wú)法提供主動(dòng)力矩、步態(tài)與正常人體步態(tài)仍有較大差距等問題，進(jìn)而介紹針對(duì)這些問題進(jìn)行研究的現(xiàn)狀及趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)隨著技術(shù)的進(jìn)一步提高以及研究的深入，既能提供主動(dòng)力矩又有很好的阻尼性能，能量循環(huán)利用率高的膝踝一體假肢是今后的研究方向。在控制方式上，利用肌電、腦電等人體生物信號(hào)以及人體動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)信息對(duì)人體步態(tài)模式識(shí)別和環(huán)境信息判斷，結(jié)合智能控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)自然、對(duì)稱的步態(tài)，也將成為未來(lái)假肢研究的熱點(diǎn)。

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State-of-the-artand Developmentof Intelligent Knee Prosthesis（review）

GU Hong，LIWei-da，LIJuan
SchoolofMechanicaland Electric Engineering，Soochow University，Suzhou，Jiangsu 215000，China

LIWei-da.E-mail:hit_liweida@163.com

Intelligentprosthesis isgoing to be a research focus recently with the incrementof the transfemoralamputeesand the development ofmicroelectronic technology，control technology and so on.As the fundamental part of the lower extremity prosthetics，the knee prostheseswith high performance is still hard to design.This paper reviewed the developmentof the intelligent knee prostheses，classified the currentavailable prostheses in the term of construction design，and discussed the drawback of their design and the trend of the further development.

intelligentprosthesis；knee prosthesis；design；review

10.3969/j.issn.1006-9771.2016.09.021

R496

A

1006-9771（2016）09-1080-06

2016-03-01

2016-04-19）

1.國(guó)家“863計(jì)劃”資助項(xiàng)目（No.2015AA 042303；No.2015AA041002）；2.國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No.51475314）。

蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇蘇州市215000。作者簡(jiǎn)介：顧洪（1991-），男，漢族，江蘇蘇州市人，碩士研究生，主要研究方向：康復(fù)機(jī)器人。通訊作者：李偉達(dá)（1979-），男，漢族，河北泊頭市人，博士，副教授，主要研究方向：康復(fù)機(jī)器人。E-mail:hit_liweida@163.com。