顾洪，李伟达，李娟

智能膝关节假肢研究现状及发展趋势①

顾洪，李伟达，李娟

随着下肢截肢患者的增多以及微电子、控制等技术的不断发展，智能下肢假肢逐渐成为康复机器人领域的研究热点。作为下肢假肢系统的核心部件，高性能的膝关节假肢设计仍然是当前假肢设计中的主要技术难点。本文介绍国内外智能膝关节假肢的发展历程及研究现状，从结构设计的角度对现有膝关节假肢进行分类，分析当前膝关节假肢设计中存在的问题，最后探讨膝关节假肢的发展趋势。

智能假肢；膝关节假肢；设计；综述

［本文著录格式］顾洪，李伟达，李娟.智能膝关节假肢研究现状及发展趋势［J］.中国康复理论与实践，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.

第二次全国残疾人抽样调查显示，我国截肢者约为226万，占残疾人数的8%［1］。在63万迫切需要安装假肢的截肢者中，下肢截肢者约44万，占70%［1］。假肢是截肢者重要的运动功能替代工具，是为弥补截肢者肢体缺损，代偿肢体功能而制造、装配的人工肢体［2］。下肢假肢，尤其是膝关节假肢的普及和安装，是当前解决截肢者基本需要的一项迫切任务。

膝关节是一种高度非线性、时变、强耦合的系统［3］。作为下肢假肢最重要的部分，智能膝关节假肢要能够根据步态变化自动调节参数，保证关节在支撑期有较好的稳定性，在摆动期有较好的灵活性，对智能膝关节假肢的设计和控制提出较高要求，是当今下肢假肢设计的难点。

1　智能膝关节假肢发展历程及现状

1.1国外智能膝关节假肢发展历程

20世纪70年代初，Flowers等开始对微处理器控制假肢膝关节技术进行研究，致力于对健康腿信息反馈式假肢样机的设计［4］。80年代开始，M yers等尝试将肌电信号应用于膝关节假肢控制［4］。1986年，中川昭夫等提出利用微处理器控制针阀，构想基于微处理器的气动式摆动相控制膝关节［5］。1990年，英国Blatchford公司获得中川昭夫的许可，其工程师Zahedi于1993年研制出世界上第一款微处理器控制的智能假肢IP（Intelligent Prosthesis），并在对IP性能进行完善后于1994年研制出了IP+［4-5］。1994年，日本NABCO公司研制出类似于IP+的膝关节NI-C111［5-6］。以上智能假肢均只对摆动相进行控制，并且根据预先算好存入控制器的参数进行调整。

1997年，德国OTTO BOCK公司发明C-Leg智能仿生腿，利用膝关节角度和踝关节力矩判断假肢摆动的速度和位置，通过调节液压缸阻尼来保证行走过程中的稳定和安全［5，7］。1998年，ENDONITE公司研制Adaptive Knee，该假肢站立相由液压驱动，摆动相由气压驱动；之后推出新版本Adaptive2［7］。2001年，冰岛OSSUR公司推出仿生磁控膝关节Rheo Knee［7］，利用陀螺仪等传感器分析足部运动信息，从而控制智能膝关节运动［5］。以上智能假肢能够根据传感器计算、估计当前步态，对关节参数实时进行调整，做到闭环控制；对站立相和摆动相均能进行控制。

2006年，OSSUR公司研制出世界上第一款主动型人工智能假肢POWERKNEE。该假肢采用电机驱动，代替原有的腿部肌肉实现假肢的主动弯曲伸展功能，克服了阻尼式假肢无法主动做功的缺陷，能更好实现上楼梯等需要主动做功的步态。该假肢目前也是市场上唯一一款动力腿［5，7］。之后OTTO BOCK公司在C-Leg基础上推出了智能仿生膝关节Genium，能够完成越障、交替上下楼梯等较为复杂的动作，行走步态也更为自然［］。

近年来，国外智能膝关节产品见表1［10-12］。

表1　国外现有智能膝关节假肢产品

1.2国内智能膝关节假肢发展历程

我国对智能膝上假肢的研究始于20世纪80年代初。清华大学在国家自然科学基金资助下，开展电流变液和电动摩擦锥膝关节自适应阻尼控制装置的研究，并且在下肢假肢建模及其肌电控制方法方面进行大量的研究［13-14］。金德闻等设计六连杆假肢［15］，对多轴膝关节稳定性进行研究。上海理工大学喻洪流等设计基于小脑模型神经网络控制器的智能膝上假肢，设计了假肢膝关节电控液压缸，在健肢上安装便携式检测机构得到膝关节角度，从而控制假肢步态［16］。中南大学谭冠政等研制出智能仿生人工腿CIP-ILeg，设计出一种基于非线性PID控制的人工腿位置伺服控制系统，利用霍尔传感器判断步速，通过调节针阀位置改变气压阻尼来适应步速［17］。北京大学王启宁等设计出基于动态行走机理的“机器人假肢”，利用脚底压力传感器系统探测健腿的行走状态，从而控制假肢的状态［5］。东北大学徐心和等对磁流变液智能假腿进行研究，通过步态感知系统得到假肢摆动相的各种信息及理想步态，通过调节阻尼力矩实现摆动相膝力矩的自动控制［18］。河北工业大学杨鹏等对人体下肢表面肌电信号进行采集和模式识别，研制气动膝关节原型样机［5］。

近年来，国内市场也出现自主研发的智能膝关节假肢产品，见表2。台湾德林假肢有限公司推出三款多连杆大腿智能假肢产品，其中V One为四连杆假肢，TGK-5PSOIC、ADLIB为五连杆假肢。2009年河北工业大学、清华大学以及国家康复辅具研究中心在“十一五”计划支持下研发气压四连杆智能膝关节，已由北京精博现代假肢矫形器技术开发公司小批量生产并作为福康工程配发［19］。北京东方瑞盛假肢矫形器发展技术有限公司也有一款自主研发的气压四连杆智能膝关节。

表2　国内现有智能膝关节假肢产品

我国在假肢研究方面起步较晚，与欧美、日本等发达国家相比仍然存在较大差距。但是对智能下肢假肢，特别是膝关节假肢的研究发展迅速，国内许多高校和机构均展开了相应研究，并取得一定成果。目前，国外智能假肢产品技术比较成熟，价格较为昂贵［12］，国内假肢公司仍无法满足患者对高性能假肢的需求。

1.3现有智能膝关节假肢现状

现阶段全世界智能假肢产品多种多样，处于实验室研究阶段的假肢样机更是种类繁多。下面按照关节驱动方式、驱动类型、转轴结构等对智能膝关节假肢进行分类阐述［6，20］。

1.3.1关节驱动方式

智能膝关节假肢按照关节驱动方式可分为主动型和被动型。

主动型假肢主要以电机作为动力源，能够代替腿部肌肉提供力矩，使膝关节主动弯曲、伸展。但电机自重大、能量转化率低、功耗高，运行时噪声大；电池容量小、体积重量大、续航短，这些问题是主动型假肢产品面临的主要技术难题。市场上唯一的一款主动型假肢产品是OSSUR公司的POWER KNEE。也有研究机构用气压、液压作为动力源进行主动型假肢的研究［21］。主动型膝关节假肢的分类见表3。

被动型假肢（也称为阻尼式假肢）不提供主动力矩，行走时通过大腿残肢带动假肢小腿摆动实现行走。假肢根据外界条件的变化调节膝关节阻尼力矩实现步态调整。由于控制方式相对简单，实现难度相对较小，同时能耗相对较低，市场上主流产品均为被动阻尼式假肢。

1.3.2驱动类型

阻尼式假肢按照驱动类型可以分为气压、液压、磁流变、电流变、机械摩擦等（表4）［6］。阻尼式假肢提供的阻尼可以分为流体阻尼和摩擦阻尼两种。其中，气压和液压的阻尼原理类似，通过调节阀门开度大小改变流体的阻尼。由于气体压缩性较大，气压提供的阻尼力矩较小、阻尼器动作较快，适用于摆动相；液压能提供较大的阻尼力矩，既适用于支撑相也适用于摆动相。

表3　主动型膝关节假肢及其分类

表4　阻尼式膝关节假肢及其分类

磁流变和电流变阻尼假肢的原理是在不同磁场、电场的作用下，磁流变液和电流变液的黏性不同，改变磁场强度或电场强度即可改变流体的阻尼，这种类型阻尼器不需机械执行机构，对调节的反应也更加迅速。市场上已经有磁流变假肢产品出现，但电流变假肢由于技术原因仍在实验室阶段。

摩擦阻尼式假肢通过调节机构来产生摩擦阻尼，但实现准确稳定的力矩控制以及建立准确的数学模型均有很大难度，现在还没有摩擦式智能膝关节产品［6］。

1.3.3转轴结构

膝关节假肢按照结构可以分为单轴假肢和多连杆假肢。

单轴膝关节只有单个回转轴，在摆动期的灵活性较高，但支撑期不够稳定。由于结构比较简单，模型的建立比较容易，同时也能够允许假肢实现较复杂的运动，现有的智能膝关节假肢产品除了IntelligentKnee（Four-barAxis）以及国内的气压多连杆假肢之外，均为单轴结构；在实验室研究中，单轴膝关节的研究也占主要部分。

多轴膝关节大多为多连杆膝关节（四连杆、五连杆或六连杆），多连杆机构的设计使转动中心可以以一定的轨迹移动，更加符合人体正常行走时膝关节转动中心的变化，在伸展时转动瞬心可以大大高于转动轴，弯曲时快速下降至转轴附近，使其伸展灵活，同时支撑期也能保持稳定。

智能多连杆假肢大多采用四连杆结构，NABTESCO公司的IntelligentKnee（Four-bar Axis）、台湾德林公司的V One以及北京精博的假肢是已经产品化的四连杆智能假肢；河北工业大学的杨鹏等则分别研究了气压、电机驱动的四连杆膝关节［5，28］。台湾德林公司也研发了五连杆智能假肢TGK-5PSOIC以及ADLIB智能假肢。

2　存在的问题

现有智能膝关节假肢产品大多为被动阻尼式假肢，虽然能够实现平地行走，甚至上下坡、上下楼梯、越障等动作，但无法提供主动力矩，同时与人体正常步态仍有较大差距［34-37］，在步态的对称性以及自然性方面还需进一步提高［38］。现有假肢通过利用步速、力矩、角度等运动动力学信息判断人体行走的模式进行控制，对假肢穿戴者的运动意图还不能准确有效识别［5］，严格意义上只能说是微控制器控制假肢，不能真正做到“智能”，假肢与人体的协调控制还需要提高。

主动式假肢能够提供主动力矩以实现上下楼梯、上下坡等功能，但目前主动式膝关节假肢的研究大多在实验室阶段。现有的唯一主动膝关节假肢产品为Ossur公司的Power Knee。该假肢以电机作为驱动器，耗能较大、同时也会产生噪声，电池有较大的体积和重量，未广泛使用。实验室对于主动式假肢的研究也只是假肢运动功能的实现，对于质量、体积、能耗等因素考虑较少，离实际使用还有很大距离。人体和膝关节两系统的协调控制也是动力型膝关节研究的重点与难点。体积、质量、结构、能耗、续航以及较复杂的控制技术成为限制主动式假肢的主要因素。

3　研究趋势

3.1主被动混合驱动

为弥补被动阻尼式假肢无法提供主动力矩的不足，同时利用其在无需主动力矩情况下较好的阻尼性能，研究人员尝试将主动驱动与被动驱动相结合，设计主被动混合驱动，或半主动的智能假肢。这样的设计也符合人体正常的行走规律：在正常行走过程中，膝关节大部分时间充当阻尼器，只有在上坡、上楼梯等需要主动力矩的情况下才主动发力做功。

伯克利大学的Lambrecht［30］和Pillai［29］分别研制了半主动式膝关节假肢和膝踝关节假肢。使用液压泵作为动力源，设计液压回路将主动和被动两种控制方式结合在一起。这两款假肢通过控制伺服阀实现主动力矩输出状态、被动液压阻尼状态等状态之间的切换，最终实现主被动混合控制。

东北大学闻时光等将磁流变阻尼器与直流电机相结合，以滚珠丝杠进行传动，设计出混合驱动四连杆膝关节［39］。假肢行走时主要使用磁流变阻尼器，利用其阻尼特性实现正常行走步态；当要进行上楼等需要主动力矩的动作时，电机再介入。哈尔滨工业大学的吴波等对基于磁流变阻尼器的四连杆混合驱动智能假肢进行了结构设计和仿真分析［40］。

3.2膝踝一体化设计

目前，市场上针对大腿截肢患者的解决方案一般为智能膝关节假肢和被动机械式踝关节假肢以及假脚的组合，或者智能膝关节假肢和智能踝关节假肢的简单组合。实验室大多数单独对膝关节或踝关节进行研究并设计假肢。以上设计在步态等性能上与正常行走特征有很大差距。正常行走是膝关节和踝关节相互耦合作用，因此较好的方式是将膝关节的设计与踝关节的设计结合起来，同时考虑膝、踝关节的运动，进行膝踝一体化设计。见表5。

表5　膝踝耦合一体化假肢产品及样机分类

膝踝一体化设计，即膝踝耦合联动的设计，主要包括两种方式：通过机械结构进行耦合，或者通过控制系统协调运动。前者通过机械结构将膝、踝两个关节连接在一起，使两者按一定的关系进行运动，但两个关节只有一个自由度，运动关系单一且不能灵活变化，通常用于纯机械结构式假肢设计；后者的膝、踝关节可以独立运动，通过控制系统按照人体正常步态规律对两个关节共同控制，实现协调耦合运动；优点在于膝踝运动关系灵活，可以适应不同步态的要求，难点在于膝踝关节的协调控制。

3.3步态周期内能量的收集与利用

为了更好完成复杂的膝关节功能，需要有电机提供主动力矩。限制电机使用的重要原因之一是能耗太大。有学者从下肢假肢步态周期内膝、踝关节做功以及能量的流动入手进行研究［42］。膝、踝关节能量的分布主要有一个能量产生部分G以及三个能量的吸收部分A1、A2、A3。在从脚跟触地开始的站立相中，膝关节既吸收能量也释放能量，平均能量为0，踝关节一直被动弯曲吸收能量（A3）部分；在蹬地阶段，踝关节产生蹬地的主要的动能G，膝关节弯曲吸收能量（A1）；在摆动相，膝关节产生伸展阻尼继续吸收能量（A2），踝关节在这一阶段的能量可以忽略。可见在正常步态周期中，膝关节主要是能量吸收部位，踝关节主要是能量生成部位，生成能量G的大小与A1、A2、A3的总和基本相同。

根据上述原理，Unal等设计一款能够存储和释放能量的纯机械下肢假肢，以减少人体行走时能量的消耗。他们使用3个弹簧，利用弹簧的特性以及所设计机构的特点将行走时所吸收的能量A1、A2、A3吸收，并转移至蹬地时释放（G），实现能量内部的自流动，减少对外部能量的需求［41-42］。Arnout等使用拉簧、压簧、绳线以及棘轮设计下肢假肢，并利用膝、踝关节在角度、力矩等关系进行耦合，将膝关节在站立相吸收的能量转移至踝关节，为蹬地时提供能量［46］。

Andrysek［47］和Rarick［48］等利用电磁马达作为发电机时可以对电池进行充电的特性，行走时利用电磁马达收集能量为电池充电，从而减少对电池人工充电的次数，延长使用时间；同时研究电磁马达在不同电路负载下的阻尼特性，以在摆动相内利用。这为研究行走时能量收集重利用提供了另一种思路。

3.4弹性驱动器的使用

电机的刚性以及较大的能量耗散是主动式假肢设计中需要克服的难题。串联弹性驱动器SEA（series-elastic actuator）相对电机有许多优势：可以降低假肢对能量峰值的需求、更好地模拟人体肌肉运动。较好的人工交互性能使假肢具有较好的柔性和适应性，从而提高穿戴者的舒适性［49］。研究者将弹簧等柔顺机构引入假肢的设计中，设计弹性驱动器。

Martinez-Villalpando等模拟人体膝关节的结构设计拮抗型膝关节假肢，两个弹性驱动器模拟膝关节的肌肉使膝关节进行弯曲和伸展［26］。Rouse等设计可分离的串联弹性驱动器CSEA（Clutchable series-elastic actuator）并将其用于主动式膝关节假肢设计中［50］。这两种设计均降低了能量消耗。

付成龙等设计的主动型假肢的踝关节利用伺服电机连接板簧，形成弹性驱动器［27］。Sup等在主动型假肢的设计中也增加了弹簧以储存能量。

3.5生物电信号的研究和利用

目前，根据系统的传感器及相关的数据处理，还无法较好识别假肢穿戴者的运动意图，人、假肢以及环境三者间不能进行有效的信息交互与协调控制，也就难以实现在多种路况、不同步速、不同行走阶段情况下的理想控制效果［5］。未来智能下肢假肢将突出对人体生物信号的利用，包括肌电、脑电、心电信号等。结合人体的运动学信息以及运动规律，完成假肢穿戴者与智能假肢之间的信息交互和反馈，提高步态的自然性、对称性以及对环境的适应能力。

4　总结

国外膝关节假肢研究起步较早、技术成熟，市场上有多种智能假肢产品；国内研究起步较晚，但近年来发展迅速，许多高校及研究机构进行了研究，市场上也出现自主研发的产品。

根据主/被动驱动方式、驱动类型以及关节转轴数量分别对假肢进行分类比较，指出现有假肢无法提供主动力矩、步态与正常人体步态仍有较大差距等问题，进而介绍针对这些问题进行研究的现状及趋势，发现随着技术的进一步提高以及研究的深入，既能提供主动力矩又有很好的阻尼性能，能量循环利用率高的膝踝一体假肢是今后的研究方向。在控制方式上，利用肌电、脑电等人体生物信号以及人体动力学、运动学信息对人体步态模式识别和环境信息判断，结合智能控制技术实现自然、对称的步态，也将成为未来假肢研究的热点。

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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.国家“863计划”资助项目（No.2015AA 042303；No.2015AA041002）；2.国家自然科学基金项目（No.51475314）。

苏州大学机电工程学院，江苏苏州市215000。作者简介：顾洪（1991-），男，汉族，江苏苏州市人，硕士研究生，主要研究方向：康复机器人。通讯作者：李伟达（1979-），男，汉族，河北泊头市人，博士，副教授，主要研究方向：康复机器人。E-mail:hit_liweida@163.com。