动力型假肢膝关节设计与仿真研究

　　0 引言

　　大腿截肢者需要安装膝上假肢来代偿缺损肢体的部分功能使其重返社会，而假肢膝关节的好坏对膝上假肢的性能具有很大的影响.合理的膝关节结构能够保证支撑期的稳定和摆动期的灵活与美观[1].根据实现膝关节力矩的方法可以将膝上假肢分为 3 种类型：被动型膝上假肢(Passive Transfemoral Prosthesis)、半主动型膝上假肢(Semi-ActiveControlledTransfemoralProsthesis)、动力驱动型膝上假肢(ActiveTransfemoralPros-thesis)[2].目前进入市场的假肢膝关节均为被动型和半主动型假肢膝关节[3]，靠残端带动膝关节运动，在能量提供方面存在缺陷，不能主动上、下楼梯和爬斜坡，长时间穿戴会使截肢者产生疲劳感[4-6].目前Ossur公司发明了第一只动力型假肢膝关节POWER KNEE，能够“学习”用户的行走步态，并根据行走速度、步幅或地形自动完成实时调整.由此可见穿戴动力型膝关节能够减少能量消耗，增加截肢者的活动范围.在传统膝上假肢、半主动控制型膝上假肢和有源机器人下肢的研究成果的基础上，设计动力型假肢膝关节[7-8].从仿生学角度使其能够模拟人体膝关节的运动和能量供应.

　　1 动力型假肢膝关节工作机理

　　安装动力型假肢膝关节能够帮助大腿截肢者实现上、下楼梯、坐下起立和爬斜坡等需要大力矩的运动模式，减少体力消耗，增加步态对称性.动力型假肢膝关节是人(体)-机(构)结合的产物，人体与假肢构成一个完整的回路，在假肢接受腔安装角度、速度传感器预测健肢侧的运动状态，并传递到中央控制器，中央控制器控制执行机构实现假肢膝关节运动，假肢上安装压力、角度、扭矩传感器实时检测假肢运动状态进行信息反馈调整运动，最终通过驱动装置完成运动动作.动力型膝关节工作原理图如图 1 所示.

　　2 人体步态分析

　　2.1 步态试验

　　利用Vicon光学动作捕捉系统采集健康人下肢运动信息.Vicon光学动作捕捉系统是一种基于反射式的捕捉系统，需要左右对称的在跖骨尖端、足跟部、踝侧部、胫骨干部、股骨下端部、股骨干部、髂骨前棘突、髂骨后棘突粘贴反光标记点(如图 2 所示).

　　Vicon 的摄像机发出的红光打到反光球表面时，反光球会反射同样波长的红光给摄像机，经过 Vicon 的控制软件处理便可以得到它的 3D 坐标，清晰地记录下反光球的运动轨迹，得到最终所需要的动作数据.此系统还包含 2 个测力平台，可以测得行走过程中地面的反作用力.把这些原始数据导入 Polygon 中就可以检测到髋关节、膝关节和踝关节的角度、力、力矩、能量和地面反作用力数据.试验中对 10 名健康人下肢平地行走信息进行采集，受试者均无腿部疾病和异常步态.测试步骤：