主動型仿生踝關節(jié)假肢的設計探析

1、<p>　　主動型仿生踝關節(jié)假肢的設計探析</p><p>　　【摘要】現階段，在假肢研究領域中踝關節(jié)假肢是一種非常關鍵的技術。因為踝關節(jié)是人體下肢關節(jié)中一個非常重要的組成部分，同時也是最為靈活的組成部分。 </p><p>　　【關鍵詞】主動型 仿生踝關節(jié)假肢 機械工程設計 </p><p>　　根據相關研究文獻顯示，在我國，各類殘疾人的總數占人口總數的

2、7.6%。在有肢體殘疾的人數中，有4.8%的人數進行了截止，占總殘疾人數的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，踝關節(jié)是至關重要的一個環(huán)節(jié)。因此，對人體下肢假肢進行研究的時候，假肢踝關節(jié)是非常重要也是非常關鍵的一個研究部分。從現在的醫(yī)療水平技術來看，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一定的工作能力與生活自理能力，對其生活質量進行提升，為其開發(fā)與研制

3、具有現代化且較為舒適的假肢產品，便是現階段國內外假肢行業(yè)中一項非常重要但又十分艱巨的任務。同時，從現有技術來看，在假肢研究方面，膝關節(jié)假肢與髖關節(jié)的假肢技術比較成熟，而踝關節(jié)的研究技術則相對落后。因此，對主動型仿生踝關節(jié)假肢的設計進行研究與探討具有非常重大的意義。 </p><p>　　一、主動型仿生踝關節(jié)假肢的整體設計 </p><p>　　對主動型仿生踝關節(jié)假肢進行整體設計的時候，首先

4、要有一個功能設計概念。也就是說所設計出來的踝關節(jié)假肢必須要具有一些特性，這樣的假肢才具有實用性。比如最大限度地幫助肢體殘疾者減少運動的負擔、盡可能地將人在正常運動踝關節(jié)時所需要的能耗降低，從而使得肢體殘疾者在行走的時候可以節(jié)約體力，讓主動型仿生踝關節(jié)假肢的代償作用可以發(fā)揮得淋漓盡致。 </p><p>　　二、主動型仿生踝關節(jié)假肢的機械結構設計 </p><p>　?。ㄒ唬┲鲃有头律钻P節(jié)

5、假肢中的屈伸運動功能裝置。 </p><p>　　對主動型仿生踝關節(jié)假肢中屈伸運動功能進行裝置的時候，其裝置中可以裝備與假腳相連的踝關節(jié)支座、踝關節(jié)軸承、導引槽、步進電機絲桿、滾動軸承、步進電機、桿端關節(jié)軸承以及套管等[2]。其中，滾動軸承要可以同一桿端關節(jié)軸承實現相連，同時，還要能在踝關節(jié)制作的導引槽中實現自由移動。此外，桿端關節(jié)軸承的另一端的套管與電機絲桿實現相連之后，要能讓步進電機絲桿轉動起來，從而達到其屈

6、伸運動的目的。在步進電機絲桿上因為螺母轉動方向的問題，對定位的滾子進行了各種限制，從而使得絲桿在轉動的時候便會將線面的桿端關節(jié)軸承帶動起來，進而限制了引導槽[3]。受限的引導槽便會將下部的機械裝置帶動起來，從而完成屈伸運動。值得注意的是，下部關節(jié)的運動角度在進行變化的時候，一定要對其變化范圍進行限制，而這個變化范圍一定要對正常人體踝關節(jié)的屈伸運動的變化范圍給予足夠滿足。 </p><p>　?。ǘ┲鲃有头律钻P

7、節(jié)假肢中的穩(wěn)定性機械裝置。 </p><p>　　在正常運動踝關節(jié)的時候，主動型仿生踝關節(jié)假肢中的穩(wěn)定性機械裝置可以對矢狀面內的平穩(wěn)運動進行保障，也可以在其他適量平面內起到分運動的作用，但變化的角度相對較小。在主動型仿生踝關節(jié)假肢中裝置了穩(wěn)定性機械設備，關節(jié)活動的適應性與靈活性便能得到有效增強，而且還能實現對人體自身踝關節(jié)的內外側三角韌帶模仿的功效[4]。即使關節(jié)需要進行很大的角度變化也可以在第一時間對關節(jié)進行調

8、整，讓其回歸到正常且較為穩(wěn)定的區(qū)域范圍內。 </p><p>　　圖2為主動型仿生踝關節(jié)假肢中穩(wěn)定性機械裝置的設計圖。壓簧卡座與非線性壓簧要能通過桿端關節(jié)軸承與轉動軸的進行連接，非線性壓簧要能在壓簧卡座上經過對壓簧本身的收縮度的調整對變化的角度大小以及壓簧回復力的大小進行調整，而且還要能對關節(jié)多自由度的靈活性進行有效保障[5]。（三）主動型仿生踝關節(jié)假肢技術中的輔助性裝置。 </p><p&g

9、t;　　對兩個桿端關節(jié)軸承之間的距離進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支撐座提供電機，對設計整體的合理性以及美觀性進行有效保障。 </p><p>　　三、主動型仿生踝關節(jié)假肢的模擬實驗 </p><p>　　本組研究設計的控制信號源為標準的關節(jié)角度變化數據，對踝關節(jié)運動實現模擬則采用的是步進電機，將此作為動力的驅動，然后對系統(tǒng)數據進行采集并將角度數據輸出。根據我們的

10、實驗結果表明，主動型仿生踝關節(jié)假肢在運動的過程中，尤其是在跟隨人體較為標準的步態(tài)的時候，站立相可以實現較好的效果，因其速度緩且幅度??；在進行擺動相的時候，因為速度比較快、步態(tài)數據的幅度也比較大，再加上不平滑等原因在進行跟隨的時候便出現了延遲的現象。同時，這時的峰值數還沒有上去，后面的運動就緊隨而來。后經過研究，本組研究人員對軟件進行了小小的修正，延遲的情況才稍微得到一絲好轉。不過，從整個主動型仿生踝關節(jié)假肢控制系統(tǒng)的運動過程來看，還是能

11、夠達到仿生踝關節(jié)跟隨運動的預期目的。 </p><p><b>　　四、結語 </b></p><p>　　綜上所述，從主動型仿生踝關節(jié)假肢的模擬實驗結果來看，該技術設計還是不夠成熟，但基本上可以達到仿生踝關節(jié)跟隨運動的預期目的，可以說在踝關節(jié)假肢研究領域中已經跨出了一大步。而在假肢踝關節(jié)的研究中，最終出來的產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，從而使得產品能夠在各種路面中實現集成化與精簡化，進而為肢體殘疾者提供出技術的信息反饋。在這種情況下，就有必要對踝關節(jié)假肢的研究還有踝關節(jié)假肢的運動舒適性與穿戴合理性展開進行一步的研究，使得踝關節(jié)康復工程的研究、開發(fā)、生產以及評價系統(tǒng)可以得到進一步的完善。 </p><p><b>　　參考文獻： </b></p><p>　　[1]趙改平，曹帥，尚昆，

13、阮超，趙偉欽，王禎祥，郭丹.主動型仿生踝關節(jié)假肢的設計[J].中國組織工程研究與臨床康復，2011（17）. </p><p>　　[2]陳靜，邱長青，劉洋，徐桂敏.主動式踝關節(jié)假肢的位置伺服系統(tǒng)研究[J].武漢理工大學學報（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.基于神經網絡的智能下肢假肢自適應控制[J].浙江大學學報（工學