1、1主动型仿生踝关节假肢的设计探析【摘要】现阶段，在假肢研究领域中踝关节假肢是一种非常关键的技术。因为踝关节是人体下肢关节中一个非常重要的组成部分，同时也是最为灵活的组成部分。 【关键词】主动型 仿生踝关节假肢 机械工程设计 根据相关研究文献显示，在我国，各类残疾人的总数占人口总数的7.6%。在有肢体残疾的人数中，有 4.8%的人数进行了截止，占总残疾人数的 3.5%。在人所有的肢体中，下肢体是非常重要的部分，只有下肢体正常，人们才能正常地站立。而在下肢体中，踝关节是至关重要的一个环节。因此，对人体下肢假肢进行研究的时候，假肢踝关节是非常重要也是非常关键的一个研究部分。从现在的医疗水平技术来看，
2、医师们不可能让人体的肢体再生，那么为了使得肢体残疾者可以恢复一定的工作能力与生活自理能力，对其生活质量进行提升，为其开发与研制具有现代化且较为舒适的假肢产品，便是现阶段国内外假肢行业中一项非常重要但又十分艰巨的任务。同时，从现有技术来看，在假肢研究方面，膝关节假肢与髋关节的假肢技术比较成熟，而踝关节的研究技术则相对落后。因此，对主动型仿生踝关节假肢的设计进行研究与探讨具有非常重大的意义。 一、主动型仿生踝关节假肢的整体设计 对主动型仿生踝关节假肢进行整体设计的时候，首先要有一个功能2设计概念。也就是说所设计出来的踝关节假肢必须要具有一些特性，这样的假肢才具有实用性。比如最大限度地帮助肢体残疾者
3、减少运动的负担、尽可能地将人在正常运动踝关节时所需要的能耗降低，从而使得肢体残疾者在行走的时候可以节约体力，让主动型仿生踝关节假肢的代偿作用可以发挥得淋漓尽致。 二、主动型仿生踝关节假肢的机械结构设计 （一）主动型仿生踝关节假肢中的屈伸运动功能装置。 对主动型仿生踝关节假肢中屈伸运动功能进行装置的时候，其装置中可以装备与假脚相连的踝关节支座、踝关节轴承、导引槽、步进电机丝杆、滚动轴承、步进电机、杆端关节轴承以及套管等2。其中，滚动轴承要可以同一杆端关节轴承实现相连，同时，还要能在踝关节制作的导引槽中实现自由移动。此外，杆端关节轴承的另一端的套管与电机丝杆实现相连之后，要能让步进电机丝杆转动起来
4、，从而达到其屈伸运动的目的。在步进电机丝杆上因为螺母转动方向的问题，对定位的滚子进行了各种限制，从而使得丝杆在转动的时候便会将线面的杆端关节轴承带动起来，进而限制了引导槽3。受限的引导槽便会将下部的机械装置带动起来，从而完成屈伸运动。值得注意的是，下部关节的运动角度在进行变化的时候，一定要对其变化范围进行限制，而这个变化范围一定要对正常人体踝关节的屈伸运动的变化范围给予足够满足。 （二）主动型仿生踝关节假肢中的稳定性机械装置。 在正常运动踝关节的时候，主动型仿生踝关节假肢中的稳定性机械装置可以对矢状面内的平稳运动进行保障，也可以在其他适量平面内起3到分运动的作用，但变化的角度相对较小。在主动型
5、仿生踝关节假肢中装置了稳定性机械设备，关节活动的适应性与灵活性便能得到有效增强，而且还能实现对人体自身踝关节的内外侧三角韧带模仿的功效4。即使关节需要进行很大的角度变化也可以在第一时间对关节进行调整，让其回归到正常且较为稳定的区域范围内。 图 2 为主动型仿生踝关节假肢中稳定性机械装置的设计图。压簧卡座与非线性压簧要能通过杆端关节轴承与转动轴的进行连接，非线性压簧要能在压簧卡座上经过对压簧本身的收缩度的调整对变化的角度大小以及压簧回复力的大小进行调整，而且还要能对关节多自由度的灵活性进行有效保障5。 （三）主动型仿生踝关节假肢技术中的辅助性装置。 对两个杆端关节轴承之间的距离进行固定是辅助性装
6、置存在的意义。而且，辅助性装置还要能对支撑座提供电机，对设计整体的合理性以及美观性进行有效保障。 三、主动型仿生踝关节假肢的模拟实验 本组研究设计的控制信号源为标准的关节角度变化数据，对踝关节运动实现模拟则采用的是步进电机，将此作为动力的驱动，然后对系统数据进行采集并将角度数据输出。根据我们的实验结果表明，主动型仿生踝关节假肢在运动的过程中，尤其是在跟随人体较为标准的步态的时候，站立相可以实现较好的效果，因其速度缓且幅度小；在进行摆动相的时候，因为速度比较快、步态数据的幅度也比较大，再加上不平滑等原因在进行跟随的时候便出现了延迟的现象。同时，这时的峰值数还没有上去，后面的运动就紧随而来。后经过
7、研究，本组研究人员对软件进4行了小小的修正，延迟的情况才稍微得到一丝好转。不过，从整个主动型仿生踝关节假肢控制系统的运动过程来看，还是能够达到仿生踝关节跟随运动的预期目的。 四、结语 综上所述，从主动型仿生踝关节假肢的模拟实验结果来看，该技术设计还是不够成熟，但基本上可以达到仿生踝关节跟随运动的预期目的，可以说在踝关节假肢研究领域中已经跨出了一大步。而在假肢踝关节的研究中，最终出来的产品一定要是能够从假肢研究的稳定性以及灵活性的研究方向中走出一条全新的道路，从而使得产品能够在各种路面中实现集成化与精简化，进而为肢体残疾者提供出技术的信息反馈。在这种情况下，就有必要对踝关节假肢的研究还有踝关节假
8、肢的运动舒适性与穿戴合理性展开进行一步的研究，使得踝关节康复工程的研究、开发、生产以及评价系统可以得到进一步的完善。 参考文献： 1赵改平，曹帅，尚昆，阮超，赵伟钦，王祯祥，郭丹.主动型仿生踝关节假肢的设计J.中国组织工程研究与临床康复，2011（17）. 2陈静，邱长青，刘洋，徐桂敏.主动式踝关节假肢的位置伺服系统研究J.武汉理工大学学报（信息与管理工程版）2009（02）. 3马玉良，徐文良，孟明，罗志增，杨家强.基于神经网络的智能下肢假肢自适应控制J.浙江大学学报（工学版） ，2010， （07）. 4赖卿，曹学军.生物力学用于假肢性能评价的研究进展J中国康复理论与实践，2010（01）.
