章浩伟，徐晓丽，刘颖，余莹

上海理工大学医疗器械与食品学院（上海，200093）

0 引言

随着人工智能、材料科学和传感器技术的快速发展，动力踝关节假肢的研究逐渐成为大家关注的焦点。2006年我国第二次全国残疾人抽样调查结果显示，我国肢体残疾人数为2 412万，截肢人数为226万，其中70%为下肢截肢患者［1］。近年来由于交通意外、自然灾害、疾病等因素，肢体残疾人数逐年增加。在创伤性截肢手术中，下肢截肢患者比例超过90%，大多数人在术后会失去行走能力，对他们的生活造成诸多不便。对于此类患者，安装假肢不仅在外观上替代了残缺肢体，而且是其恢复站立支撑和行走功能的有效手段。因此，不论是大腿截肢还是小腿截肢，均需要安装踝关节假肢［2］。

踝关节是人体下肢关节的重要组成，也是其中最为灵活的部分，如何提高其仿生性能，更加逼真地实现人体踝关节的功能仍充满挑战。目前，关于智能踝关节假肢的研究相对滞后，可选择的动力踝关节假肢产品较少,不能充分满足使用者的需求［2］。本研究在现有被动踝关节假肢结构的基础上，遵循仿生学原理，设计了一种具有双自由度的踝关节结构，使得踝关节假肢产品具有更好的灵活性和适应性，能够满足使用者的日常需求，同时增加了使用者在运动过程中的平稳性，为后续动力踝关节假肢的研究和步态机器人的研究提供参考。

1 踝关节整体设计

踝关节是人体主要负重关节之一，是人体与地面接触的枢纽［3］。人体能够完成站立、行走、下蹲、跑跳等动作，与踝关节结构及肌肉的作用密切相关。基于人体踝关节特性进行智能仿生踝关节假肢的设计，该假肢能够满足经胫骨截肢者的使用需求，其功能上具有以下特点：①尽可能降低穿戴者正常踝关节运动时的能量损耗，减少运动负担，起到真正的代偿作用；②人体和足、踝部分是不可分割的，踝关节的角度变化能带动足部运动，在足部与地面的接触过程中吸收地面冲击力，保证假肢及残肢部分不会损伤；③足、踝在运动过程中要能产生前进的驱动力；④对于路面有一定的适应性，当路面不平整或存在运动障碍时，踝关节通过必要的运动调整假肢状态，保持穿戴者的肢体稳定；⑤踝关节具有一定程度的骨骼肌功能，增加使用者的穿戴舒适性，使其获得更平稳、自然、协调的步态。

2 踝关节生物力学分析

踝关节具有3个自由度，其运动可以分为矢状面的背屈/跖屈、冠状面的内翻/外翻和水平面的外展/内收（图1）。人体踝关节是一种多自由度联合运动机构，对其功能上进行简化，使得仿生踝关节的运动能够逼近人体踝关节的运动特性。

图1 踝关节的3个自由度Fig.1 Three degrees of freedom of ankle joint

3 踝关节的结构设计

通过对踝关节的生物力学研究分析，踝关节在矢状面内的运动变化角度是向下25°～30°的跖屈和向上15°～20°的背屈，冠状面的内外翻角度的变化范围为5°～10°。正常的关节运动变化限制在一定的角度范围，与韧带自身产生的拉力变化相关联，韧带在踝关节运动时起到保证踝关节稳定性的作用。

本设计中踝关节假肢具有2个平面内的旋转自由度，保证了其负重稳定性和运动灵活性，假肢的踝关节结构设计示意图,见图2。基于仿生学原理，假肢踝关节的结构具有近似人体踝关节的球形设计，可以实现3个平面的转动，所以在球形踝关节的水平面上加入限位装置，以约束水平面内的转动。

图2 踝关节结构设计示意图Fig.2 Schematic diagram of ankle joint structure design

在平坦路面上运动时，踝关节假肢的运动以矢状面上的背屈/跖屈为主。采用球形踝关节的设计使得假肢运动更为灵活，极大地提高了假肢穿戴者的舒适性，该结构设计简洁，使得假肢整体结构更为紧凑，减小了假肢的重量。在崎岖不平的复杂路面上，假肢踝关节的内、外翻功能和碳纤维弹性材料假脚共同作用能够吸收假肢受到的侧向分力，保持穿戴者的身体平衡，大大提高了假肢的穿戴舒适性和步态稳定性，踝关节假肢的整体设计见图3。

图3 假肢整体结构Fig.3 Overall structure of prosthesis

下肢截肢者配置假肢的主要目的是代偿其步行功能，尽可能地像健康人一样以正确的方式自由行走和稳定站立［4］。被动型假肢依靠残肢带动踝关节运动，在能量提供方面存在不足，不能主动实现辅助使用者上下楼梯、上下坡等日常运动需求，且长时间穿戴会增加使用者的能量消耗，产生疲劳感。动力型假肢能够提供额外的功率，减少使用者的能量消耗，并且在配套控制系统的辅助下能够及时调整假肢的步行速度、步幅等，以满足使用者不同的需求。

本设计踝关节假肢采用直流伺服电机作为驱动力源，基于多种类型的机械传感器采集运动过程中身体各部分在空域和时域上的动态变化信号，用来识别路况和步态周期，以控制步行姿态。控制系统的原理框图见图4。通过采集位于假肢足底的压力传感器、踝关节处的角度传感器和力矩传感器输出信号，判断假肢的运动情况，在出现异常步态时及时调整假肢的运动节奏和速度，使得假肢具有良好的适应能力。使用红外避障传感器，通过接收红外返回信号识别周围环境的变化，以实现在复杂路况环境下踝关节假肢的适应性，比如在上下楼梯时能够及时调整假肢的功率和踝关节的运动角度等。

图4 控制系统结构Fig.4 Control system structure

在进行步态转换时，由于机械传感器采集的多为摆动相的相关数据，而摆动相是步态转换的中间过渡阶段，摆动相前后的运动模式是完全不同的，而在分析这部分数据时，模式转换已经发生，因此存在时间上的滞后性。为了更好地解决这一问题，通过人工智能方法进行运动意图识别研究尤为重要，准确地识别运动意图使得假肢能够提前预知运动状态，并做出相应的控制策略和参数调整，使得使用者的运动过程更加稳定、流畅、自然［5］，这是目前智能假肢的研究热点，也是后续研究的方向。

4 总结

本研究从假肢的运动灵活性、稳定性和适应性角度考虑，设计了具有双自由度的仿生踝关节假肢结构，该结构更为紧凑灵活，整体尺寸重量减小，在控制系统的辅助下能够适应多种路面。踝关节假肢的研究最终目的是能够应用到下肢截肢人群，使他们能够和健康人一样自由行走，同时产品的生产能实现批量化和个性化供应给更多需求者，因此，假肢的后续研究还应更多考虑穿戴者的舒适性。