人-机-环境共融的智能假肢膝关节研究进展

智能假肢膝关节作为下肢假肢中最重要的部件,是一种人-机-环境高度共融的复杂系统,解决此共融系统中的关键科学问题是实现假肢穿戴者步态自然柔顺的必要条件。以仿生设计、智能感知和智能控制这3个主要研究方向为切入点,综述智能假肢膝关节的研究进展。仿生设计的重点在于如何通过仿生结构与驱动设计,使假肢关节拟合人体关节驱动/阻尼代偿机制;智能感知聚焦于如何建立人-机-环境交互通道,实现人体运动意图识别与人机协同任务中的混合决策;智能控制主要关注如何在动态环境中调整假肢运动或驱动策略,使假肢更接近于人体正常的步态特征。最后,探讨智能假肢膝关节在人-机-环境共融研究中的发展方向与挑战,其中研究重点包括主被动混合代偿驱动、人体自主使能控制以及人-机-环境双闭环交互。

智能假肢膝关节的研发要点及其研究进展综述

目的介绍国内外智能假肢膝关节研究的主要进展,为相关领域的研发提供可借鉴的思路。方法基于机械结构、调控方式、驱动方式,对典型假肢膝关节进行了分类比较,并从假肢穿戴者的运动意图识别、驱动控制、人机协调控制等方面做了分析。此外,对假肢膝关节在智能化研究与安全性、个性化与通用性、人机共融技术、科学伦理、关键技术等方面需要注意的问题,提出了研发要点和技术思路。结论智能假肢膝关节应注重安全性与稳定性,规避用户在使用过程中的潜在危险因素;实现假肢控制参数的自整定和灵活适配,在个性化与通用性上达到平衡;综合考虑人—机—环境因素,实现协调控制;坚持“以人为本”,在技术方法和科学伦理两个方面开展医工结合的研究;突破关键技术限制,建立完善的社会医疗康复保障服务体系。

智能假肢膝关节的优化设计及运动学分析

智能假肢膝关节是一种代偿下肢缺失功能的机械电子装置,可以采用双摇杆机构实现对假肢膝关节运动特性的模拟。针对假肢膝关节行走过程中能量消耗过大、稳定性较差的问题,以假肢膝关节机构峰值驱动力矩最小为优化目标,建立了优化模型;在满足性能与结构的约束条件下,运用复合形法对该模型进行优化求解,得到了假肢膝关节机构的最佳结构参数;在此基础上,利用ADAMS软件进行了虚拟运动仿真。结果表明:优化后的智能假肢膝关节具有优良的仿生性能,其峰值驱动力矩相比优化前降低了40%,驱动力矩变化范围缩小36%,大大地提升了智能假肢膝关节的稳定性与续航能力。

一种智能膝关节假肢及其步态对称性评价

目的提出一种评价智能膝关节假肢步态对称性的方法。方法设计智能膝关节假肢样机AiKneeOne以及可穿戴式步态数据采集系统。以步态周期中第一次双脚支撑时间、单脚支撑时间、第二次双脚支撑时间和摆动相时间作为参数,计算对称指数(SI)和对称指标比率RⅠ、RⅡ评估步态对称性指标。5例健康人模拟穿戴AiKneeOne,以0.5、0.7、1.1 m/s速度在平板上行走,采用可穿戴式下肢步态数据采集系统采集数据,进行实测。结果不同速度下,第一次双脚支撑和第二次双脚支撑时,SI和RⅡ绝对值较低、RⅠ接近1,对称性较好;单脚支撑和摆动相时,对称性有待提高。结论智能膝关节假肢AiKneeOne具备重建截肢者步态的潜力,步态对称性指标可用于智能膝关节假肢穿戴性能评估测试。

一种智能膝关节假肢模型的阻尼参数优化方法

目的为了提高智能膝关节假肢的穿戴调试效率及行走的步态对称性,提出了一种利用假肢模型对膝关节假肢的阻尼参数进行优化的方法。方法首先利用多杆刚体系统对智能膝关节假肢构建由膝关节、连杆及阻尼器组成的假肢模型。选择5例测试对象,其中男性3例,女性2例;年龄29~55岁,平均年龄44.20岁(标准差10.45岁);身高1.52~1.78 m,平均身高1.650 m(标准差0.098 m);体质量55~75 kg,平均体质量63.60 kg(标准差8.59 kg);大腿长0.37~0.44 m,平均大腿长0.404 m(标准差0.027 m);小腿长0.43~0.51 m,平均小腿长0.470 m(标准差0.029 m);步幅0.56~0.66 m,平均步幅0.610 m(标准差0.038 m)。将不同步速(0.8 m/s、1.2 m/s、1.6 m/s)的健肢侧膝关节角度及足底反力信息导入该模型,结合S.S.Rao Mechanical Vibration的二阶振动理论,以假肢模型与健肢之间的膝关节角度最小均方根误差为优化目标,对阻尼参数(ωd,ζ)进行优化求解。结果通过对5例测试对象的步态测试,假肢模型在支撑相的膝关节角度与真实人体膝关节的角度偏差为3.8°±0.4°,相关性为0.86±0.06;摆动相则为1.7°±0.2°,相关性为0.990±0.005。支撑相的阻尼频率范围在5~20,阻尼比范围在0.001~0.990;摆动相的阻尼频率范围在3.7~8.6,阻尼比范围在0.0001~0.1100。结论仿真结果表明,利用该模型对膝关节假肢的阻尼参数进行优化具备一定的可行性,可以提高膝关节假肢的穿戴调试效率,理论上也可以提高穿戴膝关节假肢行走时的步态对称性。

对大腿截肢患者穿戴两种膝关节假肢在平整路面下的步态分析

目的:本文主要借助卡伦(CAREN)康复系统,让大腿截肢患者使用相同的踝关节、相同的脚板和相同的接受腔的情况下,分别穿戴液压单轴膝关节假肢和智能膝关节假肢,在卡伦康复系统模拟的平整路面下行走并记录相关数据,然后进行步态分析,进而为患者选择更为理想的膝关节类型找出合理的临床依据。方法:首先让8例大腿截肢患者穿戴液压单轴膝关节假肢进行步行测试;然后再换上智能膝关节假肢进行步行测试。每次行走截取完整的25个标记点的图像即包括测力台上图像的步态周期分析,记录时间和空间数据,本实验主要以步速、跨步长、步态周期、双支撑期为参考指标,并进行统计学分析,进而寻找出最适合患者的假肢。结果:实验显示,穿戴智能膝关节假肢的大腿截肢患者的步态和稳定性明显优于穿戴液压单轴膝关节假肢的步态。经过统计学处理,具有显著性差异(P 【0.05)。结论:智能膝关节假肢更有效改善或提高大腿截肢患者的稳定性和步态。

一种基于表面肌电信号映射人体下肢运动意图的方法

智能膝关节假肢是截肢患者恢复日常运动的重要辅具。对人体下肢运动意图的识别是实现下肢假肢控制的关键。该文针对此问题,提出了一种通过表面肌电信号预测膝关节角度的方法。对表面肌电提取时域特征,通过BP神经网络模型建立平地行走过程中表面肌电信号和膝关节角度的映射关系,预测膝关节角度。