国内外人工腿(假肢)研究的进展及发展趋势

文章编号222国内外人工腿假肢研究的进展及发展趋势α谭冠政吴立明中南工业大学机器人研究所长沙摘要人工腿假肢一直是机器人学和生物医学工程领域的一个前沿性研究课题在这方面的研究中英!日两国于年代中期研制成功的智能型人工腿反映了该研究的最新进展本文共分五个部分第一部分是引言第二部分重点介绍国外在年代初以前人工腿的研究概况第三部分重点介绍国外从年代初至今人工腿的研究概况特别是智能人工腿的研究情况第四部分重点介绍国内人工腿的研究现状最后一部分介绍人工腿研究的发展趋势关键词人工腿假肢智能人工腿腿部截肢者步行功能重建中图分类号×°文献标识码ΠΡΟΓΡΕΣΣΑΝΔΔΕςΕΛΟΠΜΕΝΤΤΡΕΝΔΤΟΩΑΡΔΣΣΤΥΔΨΟΦΑΡΤΙΦΙΧΙΑΛΛΕΓΣΠΡΟΣΤΗΕΣΕΣΙΝΦΟΡΕΙΓΝΧΟΥΝΤΡΙΕΣΑΝΔΧΗΙΝΑ×∏2•2ΙνστιτυτεοφΡοβοτιχσΧεντραλΣουτηΥνιϖερσιτψοφΤεχηνολογψΧηανγσηαΑβστραχτ2√×∏√×∏∏∏∏≥∏∏√∏Κεψωορδσ∏∏∏1引言Ιντροδυχτιον从古至今由于战争!疾病!工伤!交通事故及意外伤害已将成百上千万下肢截肢者带给了我们这个社会特别是近年来随着工业!交通事业的迅速发展这一数字正以惊人的速度增加一项调查表明仅美国每年就有大约万人失去下肢≈而我国目前下肢残疾者更是高达万人这些截肢者由于失去了人类最基本的功能之一))行走生活上难以自理客观上被安置在脱离社会主流的一些特定角落致使他们在身心方面都充满着常人体会不到的痛苦另一方面这些病人中的大多数是社会的有功之臣或事故的牺牲者社会要付出极大的代价来补偿和安置他们这也极大地增加了社会的负担由于目前医疗水平尚不能使肢体再生因此为这些截肢者安装人工腿假肢就成了恢复其行走功能的唯一手段关于人工腿假肢的研究无论是国内还是国外都已经有了数百年的历史过去研制和生产的人工腿由于受技术条件的限制性能欠佳截肢者装上这类人工腿后步态极不自然行走相当吃力到第卷第期年月机器人ΡΟΒΟΤ∂α收稿日期基金项目本项目得到中科学院机器人学开放研究实验室资助了本世纪年代中期由于世界工业技术水平整体上突飞猛进人工腿的研制才取得极大进展下面我们分四个部分对国际!国内人工腿研究的进展及发展趋势作详细介绍2从70年代中期至90年代初国外人工腿的研究概况Ρεσεαρχησυρϖεψοφαρτιφιχιαλλεγσινφορειγνχουντριεσφρομτηεμιδδλεοφτηε1970στοτηεεαρλψοφτηε1990σ这一时期世界上一些发达国家和地区如日本!德国!英国!美国和台湾等研制和生产了种类繁多的人工腿产品组成这些人工腿的关键要素有四方面第一是膝关节构造第二是腿运动的控制方式第三是踝关节和脚的构造第四是材料的选用下面分别叙述211膝关节的构造膝关节的构造可概括为四大类第一类为带锁定器的膝关节简称固定膝这类膝关节中装有带拉线或锁定杆控制的锁定器在腿完全伸直时膝关节被锁定用手拉一下拉线或按一下锁定杆解除锁定膝关节便可自由弯曲装有这类膝关节的人工腿重点放在腿直立时的控制上即防止腿直立时膝关节弯曲而引起摔跤一般用于活动度较低的老人或腿部未截除部分肌肉力量较弱!控制不佳的截肢者典型产品有日本今仙技术研究所的°≤≥≥≥等≈∗第二类为可承重自锁的膝关节也称负荷制动膝或安全膝这类膝关节中装有制动块在腿直立时可利用体重来制动以防止膝关节弯曲装有这类膝关节的人工腿一般用于活动度中等的截肢者典型产品有英国布莱切福特公司≤11≥的°≥°≤!日本高崎假肢株式会社的×以及德国奥托搏克假肢矫形器工业公司∏的等≈第三类为具有可变瞬时转动中心的多轴膝关节简称多轴膝这类膝关节由多轴联杆机构组成最常见的是四轴膝关节这类膝关节的特点之一是膝关节的转动中心可以随膝关节弯曲角的变化而变化瞬时转动中心轨迹为一曲线对于四轴膝关节来说把分别连接前后的上下联杆轴的直线延长其交点可看作为瞬时转动中心特点之二是在脚跟着地的一瞬间地面反力的作用线将通过前下方轴的前方使得膝关节完全处于伸展状态且不易引起膝弯曲在腿直立期膝关节保持伸展状态的稳定性非常高这一点对截肢者来说极为重要因为腿呈直立姿态在一个步行周期中约占而且对于不平整地面!斜坡或楼梯等更要求腿在直立姿态时具有很高的稳定性以防摔跤特点之三是当膝关节弯曲时由于转动中心的移动以及联杆机构的作用含多轴膝关节的人工腿其下腿部有效长度会缩短这一特点使截肢者在不平整地面!斜坡或楼梯上行走时不必担心脚尖会碰到地面而失去平衡总的来说多轴膝关节使截肢者行走更安全!更自然!更舒适典型产品有德国奥托搏克公司的!台湾德林假肢矫形器公司×°1的×2°以及日本高崎假肢株式会社的×等≈∗第四类为全功能膝关节×这类膝关节实际上也是一种多轴膝关节不同的是它由个轴!根联杆组成这种膝关节的设计者ƒ是一位工程师他女儿在六岁时因下肢先天性畸形而截去了膝关节和小腿看到女儿用假肢走路时非常困难的样子他从内心希望能给女儿一种功能更全!性能更好的人工腿经过一段时间的研究ƒ最终为女儿设计的正是这种全功能膝关节全功能膝关节具有安全膝和多轴膝所拥有的优点其设计从几何学的角度保证了从脚跟着地到腿直立中期膝关节被很好地锁定能有效地防止这期间膝关节弯曲而摔跤在脚尖将要离地之前锁定被自动解除使膝关节在脚尖离地后能适应步态的需要自由弯曲此外这种膝关节还有一个极好的特点即通过使用橡胶缓冲器利用橡胶的可压缩与弹性特性在腿直立初期它能象健康膝那样从完全伸展位产生最大约β的轻度弯曲≥2¬然后又回弹到完全伸展位这一过程既能有效地吸收脚跟着地时地面对身体产生的冲击又能通过膝关节弯曲的回弹获得推动身体前进的推动力这一特点近期开发的许多膝关节也都具有了如德国奥托博克公司的五轴膝关节等临床实验的结果还表明与单轴膝相比使用全功能膝关节步行所需的髋关节力矩较小相应地步行所需的能耗也降低了由于上述特点全功能膝关节能确保截肢者在不平整地面!斜坡或楼梯上步行时更安全!更自然!更舒适甚至还能轻松地从事玩高尔夫球!跑步!或骑自行车等体育运动典型的全功能膝关节产品有美国≤∏÷÷√1公司的×××等≈机器人年月212腿运动的控制方式腿运动的控制方式是人工腿设计的重点包括腿直立时的控制和腿摆动时的控制腿直立时的控制最重要的是必须确保腿在直立状态时膝关节完全伸直而不弯曲允许膝关节在腿直立初期有β∗β的轻度弯曲但随后必须伸直这是因为此时另一侧的健康腿处于摆动状态与地面不接触人体的重量完全由人工腿支撑如果此时人工腿膝关节出现弯曲必将导致摔跤腿直立时的控制可分为两类一类是按截肢者的意志而进行的随意控制∂∏≤另一类则是与截肢者意志无关的机械控制≤≈所谓随意控制是指根据截肢者的意志通过运动髋关节伸展肌肉有意识地控制人工腿膝关节不弯曲的一种控制方法具有单轴膝关节和多轴膝关节的人工腿都可采用这种控制方法它们都是通过使地面反力的作用线位于膝关节转动中心的前方来实现的所不同的是对于多轴膝关节在伸展位时由于瞬时转动中心位于比联杆的机械轴高出许多的地方稳定膝关节所需的髋关节伸展肌肉力量可以减少所谓机械控制是指不依赖截肢者的意志而完全依靠机械装置控制人工腿膝关节不弯曲的一种控制方法机械控制装置有两种形式一种是在膝关节处安装锁定器在整个腿直立期间完全将膝关节固定在伸展位而不产生弯曲这就是前面介绍的固定膝另一种则是在膝关节处安装制动块依靠体重触发制动使膝关节稳定在伸展位这就是前面介绍的可承重自锁的膝关节或安全膝此外全功能膝关节由于其特殊构造使之具有定点锁定功能腿在直立位时也可认为使用的是机械控制≈腿摆动指小腿的摆动时的控制最为重要的是必须尽可能确保人工腿的步态与另一侧的健康腿对称应保证小腿和脚部的摆动接近正常由于大腿以下截肢者缺乏控制膝关节屈伸运动所需的肌肉所以人工腿主要是通过在膝关节处的特定装置产生阻力或阻力矩来控制小腿的摆动腿摆动时的控制装置可分为三类≈第一类是伸展辅助装置∞¬它是利用螺旋状弹簧和橡胶在膝关节弯曲时受压所产生的弹力为小腿的摆动提供辅助动力这种装置虽然弹性阻力会随膝关节弯曲角的变化而变化但与膝关节的弯曲速度或步行速度无对应关系所以性能不佳第二类为机械摩擦装置ƒ⁄√它是利用在膝关节四周加上摩擦阻力来控制小腿摆动的一种装置它对屈伸两种运动均起作用目前临床上广泛使用的定摩擦膝关节由于没有考虑角度和步速的变化只能产生一定的阻力腿的摆动周期是固定的截肢者不能随环境变化例如在拥挤的人群中或在稀少的人群中调整步速所以性能也不佳第三类为流体控制装置ƒ∏≤⁄√包括气压和油压两种方式最适合于腿摆动时的控制能产生与肌肉运动相似的非线性阻力与其它两类装置相比这种控制装置使腿的摆动过程更为平滑气压和油压的差别在于介质有无压缩性气压方式可产生与变位同期的阻力而油压方式则产生与速度同期的阻力因此在中!低速步行时采用气压方式较为合适而在中!高速步行时则采用油压方式较好气压和油压控制方式是通过安装在膝关节内部的气缸或油缸及活塞来实现的气压方式的典型产品有英国布莱切福特公司的°≥°≤°≥°≤可承重自锁的单轴膝关节≈!德国奥托搏克公司的四轴膝关节≈!台湾德林公司的×2°四轴膝关节≈以及日本高崎假肢株式会社的×四轴膝关节≈等油压方式的典型产品有德国奥托搏克公司的四轴膝关节!五轴膝关节!可承重自锁的单轴膝关节≈美国≤∏÷÷√公司的×全功能膝关节≈日本高崎株式会社的×四轴膝关节≈等其中值得一提的是这是一种在腿直立期采用随意控制!在腿摆动期采用油压控制的四轴膝关节瑞士人露卡斯#格利斯顿使用这种膝关节并将其油压阻力调至最大结果以秒跑完了米这一速度已与常人无异≈213踝关节和脚的构造踝关节和脚的构造相对来说没有膝关节那么复杂设计时重点考虑的是运动的灵活性和吸收地面冲击的能力主要有静踝脚踝关节固定!单轴踝脚踝关节可在前后方向作上下转动!万向踝脚构造与人的踝关节相似以及储能脚等四种类型其中储能脚∞≥ƒ2∞≥ƒ的内部含有弹性储能元件它的特点是脚在立脚相的中期2≥储存身体施加在踝关节处的能量而在最佳时刻即推离期°∏2释放出所储存的能量以辅助推动身体向前运动典型的∞≥ƒ储能脚产品有德国奥托搏克公司的⁄°和±∏∏≈美国≤°∏1公司的多轴动态响应脚∏¬⁄ƒ×∏≥×≈等荷兰的1°等人曾将第卷第期谭冠政等国内外人工腿假肢研究的进展及发展趋势储能脚与普通假脚的性能进行了比较他们采用双盲随机试验法利用英国牛津仪表公司¬1的∂≤三维运动和图像分析系统测量并记录了被测对象的步速步频髋!膝!踝关节运动范围立脚相初期的跖屈立脚相后期的背屈以及能量的储存!释放和消耗等运动学!动力学参数结果表明∞≥ƒ储能脚总的来说比普通假脚要好特别是能量消耗比普通假脚小≈214材料的选用人工腿所使用的材料主要有不锈钢!铝合金!钛合金!碳纤复合材料以及共聚塑料等390年代初至今国外人工腿的研究概况Ρεσεαρχησυρϖεψοφαρτιφιχιαλλεγσινφορειγνχουντριεσφρομτηεεαρλψοφτηε1990στοτηεπρεσεντ这一时期人工腿研究的最大进展是英国和日本将微电子技术!计算机控制技术与生物医学工程技术融合在一起相继研制出了智能型的人工腿并已大量投入临床应用年代初以前研制的人工腿存在这样一个问题人工腿的步行速度不能自然!随意地跟随截肢者步行速度的变化而变化即使是采用对速度具有敏感性的气压!油压式摆动相控制装置速度变化范围也很窄不能满足截肢者希望在较大步速范围内变速行走以提高步行灵活性的需要≈在这种情况下如果希望用人工腿慢行那么膝关节伸展力就会显得过大而如果希望快走那么膝关节伸展力又会显得不够而使脚跟上提变大并且由于膝关节的摆速基本保持不变此时和另一侧的健康腿相比人工腿膝关节到完全伸展位时所需的时间相对较长从而不能确保步行节奏在这种情况下截肢者只能通过加大健康腿的步幅来保持所期望的快行速度总之相对于人工腿的固定步速而言不论是慢行还是快走左!右腿步行的对称性都将受到严重破坏截肢者更容易感觉疲劳为解决这一问题以前主要通过用手指调整安装在气缸或油缸上特定部位的调整螺钉改变缸内节流阀的开度使之与