主動(dòng)型仿生踝關(guān)節(jié)假肢的設(shè)計(jì)探析

1、<p>　　主動(dòng)型仿生踝關(guān)節(jié)假肢的設(shè)計(jì)探析</p><p>　　【摘要】現(xiàn)階段，在假肢研究領(lǐng)域中踝關(guān)節(jié)假肢是一種非常關(guān)鍵的技術(shù)。因?yàn)轷钻P(guān)節(jié)是人體下肢關(guān)節(jié)中一個(gè)非常重要的組成部分，同時(shí)也是最為靈活的組成部分。 </p><p>　　【關(guān)鍵詞】主動(dòng)型 仿生踝關(guān)節(jié)假肢 機(jī)械工程設(shè)計(jì) </p><p>　　根據(jù)相關(guān)研究文獻(xiàn)顯示，在我國(guó)，各類殘疾人的總數(shù)占人口總數(shù)的

2、7.6%。在有肢體殘疾的人數(shù)中，有4.8%的人數(shù)進(jìn)行了截止，占總殘疾人數(shù)的3.5%。在人所有的肢體中，下肢體是非常重要的部分，只有下肢體正常，人們才能正常地站立。而在下肢體中，踝關(guān)節(jié)是至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。因此，對(duì)人體下肢假肢進(jìn)行研究的時(shí)候，假肢踝關(guān)節(jié)是非常重要也是非常關(guān)鍵的一個(gè)研究部分。從現(xiàn)在的醫(yī)療水平技術(shù)來(lái)看，醫(yī)師們不可能讓人體的肢體再生，那么為了使得肢體殘疾者可以恢復(fù)一定的工作能力與生活自理能力，對(duì)其生活質(zhì)量進(jìn)行提升，為其開(kāi)發(fā)與研制

3、具有現(xiàn)代化且較為舒適的假肢產(chǎn)品，便是現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外假肢行業(yè)中一項(xiàng)非常重要但又十分艱巨的任務(wù)。同時(shí)，從現(xiàn)有技術(shù)來(lái)看，在假肢研究方面，膝關(guān)節(jié)假肢與髖關(guān)節(jié)的假肢技術(shù)比較成熟，而踝關(guān)節(jié)的研究技術(shù)則相對(duì)落后。因此，對(duì)主動(dòng)型仿生踝關(guān)節(jié)假肢的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究與探討具有非常重大的意義。 </p><p>　　一、主動(dòng)型仿生踝關(guān)節(jié)假肢的整體設(shè)計(jì) </p><p>　　對(duì)主動(dòng)型仿生踝關(guān)節(jié)假肢進(jìn)行整體設(shè)計(jì)的時(shí)候，首先

4、要有一個(gè)功能設(shè)計(jì)概念。也就是說(shuō)所設(shè)計(jì)出來(lái)的踝關(guān)節(jié)假肢必須要具有一些特性，這樣的假肢才具有實(shí)用性。比如最大限度地幫助肢體殘疾者減少運(yùn)動(dòng)的負(fù)擔(dān)、盡可能地將人在正常運(yùn)動(dòng)踝關(guān)節(jié)時(shí)所需要的能耗降低，從而使得肢體殘疾者在行走的時(shí)候可以節(jié)約體力，讓主動(dòng)型仿生踝關(guān)節(jié)假肢的代償作用可以發(fā)揮得淋漓盡致。 </p><p>　　二、主動(dòng)型仿生踝關(guān)節(jié)假肢的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) </p><p>　　（一）主動(dòng)型仿生踝關(guān)節(jié)

5、假肢中的屈伸運(yùn)動(dòng)功能裝置。 </p><p>　　對(duì)主動(dòng)型仿生踝關(guān)節(jié)假肢中屈伸運(yùn)動(dòng)功能進(jìn)行裝置的時(shí)候，其裝置中可以裝備與假腳相連的踝關(guān)節(jié)支座、踝關(guān)節(jié)軸承、導(dǎo)引槽、步進(jìn)電機(jī)絲桿、滾動(dòng)軸承、步進(jìn)電機(jī)、桿端關(guān)節(jié)軸承以及套管等[2]。其中，滾動(dòng)軸承要可以同一桿端關(guān)節(jié)軸承實(shí)現(xiàn)相連，同時(shí)，還要能在踝關(guān)節(jié)制作的導(dǎo)引槽中實(shí)現(xiàn)自由移動(dòng)。此外，桿端關(guān)節(jié)軸承的另一端的套管與電機(jī)絲桿實(shí)現(xiàn)相連之后，要能讓步進(jìn)電機(jī)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，從而達(dá)到其屈

6、伸運(yùn)動(dòng)的目的。在步進(jìn)電機(jī)絲桿上因?yàn)槁菽皋D(zhuǎn)動(dòng)方向的問(wèn)題，對(duì)定位的滾子進(jìn)行了各種限制，從而使得絲桿在轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候便會(huì)將線面的桿端關(guān)節(jié)軸承帶動(dòng)起來(lái)，進(jìn)而限制了引導(dǎo)槽[3]。受限的引導(dǎo)槽便會(huì)將下部的機(jī)械裝置帶動(dòng)起來(lái)，從而完成屈伸運(yùn)動(dòng)。值得注意的是，下部關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度在進(jìn)行變化的時(shí)候，一定要對(duì)其變化范圍進(jìn)行限制，而這個(gè)變化范圍一定要對(duì)正常人體踝關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動(dòng)的變化范圍給予足夠滿足。 </p><p>　?。ǘ┲鲃?dòng)型仿生踝關(guān)

7、節(jié)假肢中的穩(wěn)定性機(jī)械裝置。 </p><p>　　在正常運(yùn)動(dòng)踝關(guān)節(jié)的時(shí)候，主動(dòng)型仿生踝關(guān)節(jié)假肢中的穩(wěn)定性機(jī)械裝置可以對(duì)矢狀面內(nèi)的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行保障，也可以在其他適量平面內(nèi)起到分運(yùn)動(dòng)的作用，但變化的角度相對(duì)較小。在主動(dòng)型仿生踝關(guān)節(jié)假肢中裝置了穩(wěn)定性機(jī)械設(shè)備，關(guān)節(jié)活動(dòng)的適應(yīng)性與靈活性便能得到有效增強(qiáng)，而且還能實(shí)現(xiàn)對(duì)人體自身踝關(guān)節(jié)的內(nèi)外側(cè)三角韌帶模仿的功效[4]。即使關(guān)節(jié)需要進(jìn)行很大的角度變化也可以在第一時(shí)間對(duì)關(guān)節(jié)進(jìn)行調(diào)

8、整，讓其回歸到正常且較為穩(wěn)定的區(qū)域范圍內(nèi)。 </p><p>　　圖2為主動(dòng)型仿生踝關(guān)節(jié)假肢中穩(wěn)定性機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)圖。壓簧卡座與非線性壓簧要能通過(guò)桿端關(guān)節(jié)軸承與轉(zhuǎn)動(dòng)軸的進(jìn)行連接，非線性壓簧要能在壓簧卡座上經(jīng)過(guò)對(duì)壓簧本身的收縮度的調(diào)整對(duì)變化的角度大小以及壓簧回復(fù)力的大小進(jìn)行調(diào)整，而且還要能對(duì)關(guān)節(jié)多自由度的靈活性進(jìn)行有效保障[5]。（三）主動(dòng)型仿生踝關(guān)節(jié)假肢技術(shù)中的輔助性裝置。 </p><p&g

9、t;　　對(duì)兩個(gè)桿端關(guān)節(jié)軸承之間的距離進(jìn)行固定是輔助性裝置存在的意義。而且，輔助性裝置還要能對(duì)支撐座提供電機(jī)，對(duì)設(shè)計(jì)整體的合理性以及美觀性進(jìn)行有效保障。 </p><p>　　三、主動(dòng)型仿生踝關(guān)節(jié)假肢的模擬實(shí)驗(yàn) </p><p>　　本組研究設(shè)計(jì)的控制信號(hào)源為標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)節(jié)角度變化數(shù)據(jù)，對(duì)踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)模擬則采用的是步進(jìn)電機(jī)，將此作為動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)，然后對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并將角度數(shù)據(jù)輸出。根據(jù)我們的

10、實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，主動(dòng)型仿生踝關(guān)節(jié)假肢在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，尤其是在跟隨人體較為標(biāo)準(zhǔn)的步態(tài)的時(shí)候，站立相可以實(shí)現(xiàn)較好的效果，因其速度緩且幅度小；在進(jìn)行擺動(dòng)相的時(shí)候，因?yàn)樗俣缺容^快、步態(tài)數(shù)據(jù)的幅度也比較大，再加上不平滑等原因在進(jìn)行跟隨的時(shí)候便出現(xiàn)了延遲的現(xiàn)象。同時(shí)，這時(shí)的峰值數(shù)還沒(méi)有上去，后面的運(yùn)動(dòng)就緊隨而來(lái)。后經(jīng)過(guò)研究，本組研究人員對(duì)軟件進(jìn)行了小小的修正，延遲的情況才稍微得到一絲好轉(zhuǎn)。不過(guò)，從整個(gè)主動(dòng)型仿生踝關(guān)節(jié)假肢控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程來(lái)看，還是能

11、夠達(dá)到仿生踝關(guān)節(jié)跟隨運(yùn)動(dòng)的預(yù)期目的。 </p><p><b>　　四、結(jié)語(yǔ) </b></p><p>　　綜上所述，從主動(dòng)型仿生踝關(guān)節(jié)假肢的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，該技術(shù)設(shè)計(jì)還是不夠成熟，但基本上可以達(dá)到仿生踝關(guān)節(jié)跟隨運(yùn)動(dòng)的預(yù)期目的，可以說(shuō)在踝關(guān)節(jié)假肢研究領(lǐng)域中已經(jīng)跨出了一大步。而在假肢踝關(guān)節(jié)的研究中，最終出來(lái)的產(chǎn)品一定要是能夠從假肢研究的穩(wěn)定性以及靈活性的研究方向中走出

12、一條全新的道路，從而使得產(chǎn)品能夠在各種路面中實(shí)現(xiàn)集成化與精簡(jiǎn)化，進(jìn)而為肢體殘疾者提供出技術(shù)的信息反饋。在這種情況下，就有必要對(duì)踝關(guān)節(jié)假肢的研究還有踝關(guān)節(jié)假肢的運(yùn)動(dòng)舒適性與穿戴合理性展開(kāi)進(jìn)行一步的研究，使得踝關(guān)節(jié)康復(fù)工程的研究、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)以及評(píng)價(jià)系統(tǒng)可以得到進(jìn)一步的完善。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　[1]趙改平，曹帥，尚昆，

13、阮超，趙偉欽，王禎祥，郭丹.主動(dòng)型仿生踝關(guān)節(jié)假肢的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)組織工程研究與臨床康復(fù)，2011（17）. </p><p>　　[2]陳靜，邱長(zhǎng)青，劉洋，徐桂敏.主動(dòng)式踝關(guān)節(jié)假肢的位置伺服系統(tǒng)研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（信息與管理工程版）2009（02）. </p><p>　　[3]馬玉良，徐文良，孟明，羅志增，楊家強(qiáng).基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能下肢假肢自適應(yīng)控制[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)