假肢研究背景与发展现状

假肢研究背景与发展现状
1 假肢研究背景 (1)
2 假肢国内外发展概况 (1)
1 假肢研究背景
古往今来，成百上千万人因为战争、疾病、工伤、交通事故及意外伤害而被截肢。

特别是近年来，随着工业、交通事业的迅速发展，这一数字正以惊人的速度增加。

根据全国残疾人抽样调查结果显示，目前我国现有肢体残疾人约 6000 万，其中下肢残疾者达到 600 万。

一项研究表明仅美国每年就有近 11 万人失去下肢，对于他们来说由于失去了人类最基本的行走功能，拥有一具控制自如的假肢是一件梦寐以求的事情，这种假肢将成为人体的一部分而不仅仅是身体的附属品。

随着经济的发展我国人民生活水平的提高，残疾人对于生活质量的要求十分迫切。

人工智能、计算机、信息、控制、康复医学工程等技术的发展，使肢体“再造”的梦想将成为现实。

同时，国外智能下肢假肢产品的价格由于种种原因，与国内残疾人整体的可接受范围相距甚远，完全依靠国外产品满足国内残疾人的需要, 在近期希望渺茫。

将当代先进的智能控制技术、计算机技术、微电子技术、机械设计与制造技术、新材料技术与生物医学工程和康复医学工程技术融合在一起，研究真正意义上的智能下肢假肢，使截肢者能以极为接近正常人的自然步态行走，这对于帮助他们重新回归社会主流、象正常人一样生活、学习和工作，对减轻社会负担，同时对填补我国在此研究领域的空白、对促进我国康复医学工程技术的发展无疑都具有极其重要的意义。

2 假肢国内外发展概况
国内从上一世纪八十年代初开始在假肢的研究方面也取得了很好的成绩。

清华大学精密仪器与机械学系的金德闻、张培玉、张济川、王人成、黄昌华等学者、教授在这方面做了很多开创性的工作。

他们采用最优化方法设计了一种六连杆假肢膝
关节，该膝关节在支撑期保持稳定性的同时，在摆动期内膝关节和踩关节的运动轨迹，以及大腿和小腿之间的角度变化关系相对于正常人都具有很好的逼近效果，能有效改善截肢者的步态。

而且清华大学在利用大腿肌肉的肌电信号识别不同路况（包括上，下坡道，上，下楼梯）方面取得了成功，从而为发展具有路况识别功能的智能假肢打下基础。

目前与欧美、日本和台湾等发达国家和地区相比存在相当大的差距，从事这
一领域研究和开发的大学和科研机构相对较少，我国假肢生产行业相关产业同欧美和日本相比整体上大约落后 20 年，各大假肢生产厂家目前的主要产品仍然停留在诸如游动式定摩擦膝关节、带手动锁定装置的膝关节、游动式复合制动膝关节，单轴式、多轴式及固定式假脚等，还没有企业能研制生产具有独立知识产权的智能假肢产品。

从事智能型假肢的研究工作，其目的和意义有两个:第一是要将智能控制技术、微电子技术、计算机控制技术、机械设计与制造、生物医学工程和康复医学工程等技术结合在一起，研制并开发出智能型机电假肢，使截肢者能以极其自然的步态行走，对于残疾人回归社会生活及改善生活质量具有决定作用，有着重大的社会意义。

第二是希望将所研究成果尽快转化为商品，以缩短我国假肢生产企业与国外先进水平差距，帮助该行业形成较大的规模经济，推动我国假肢生产行业的发展。

90 年代初至今这一时期国外假肢研究的最大进展是英国和日本，他们率先将微电子技术、计算机控制技术与康复医学工程技术融合在一起，相继研制出了智能型的假肢并 .已大量投入临床应用。

九十年代初以前研制的假肢存在这样一个问题 :假肢的步行速度不能自然、随意地跟随截肢者步行速度的变化而变化，不能满足截肢者希望在较大步速范围内变速行走以提高步行灵活性的需要。

在这种情况下，截肢者只能以与假肢固定摆速相匹配的步速行走，过快或过慢都将导致健康腿与假肢步行的对称性受到严重破坏，使截肢者更容易感觉疲劳。

为解决这一问题，以前主要通过用手指调整安装在气缸或油缸上特定部位的调整螺钉，改变缸内节流阀的开度，使之与期望的步速相对应。

但这种方法由于每次改变步速都需要用手指调整螺钉，结果使步行这一本来是无意识的运动变成了有意识地进行改变的运动
为了彻底解决上述问题， 1986年，日本的中川昭夫首次构想出基于微处理器的气动式摆动相控制膝关节，并在 1989年向全世界公开了该项技术。

1990年，英国布莱切福特公司获得公司获得了这一技术许可，由其资深工程师 Saced Zahedi 研制
出了世界上第一个智能假肢 IP（Intelligent Prosthesis）,该公司在 1993年将 IP 投放市场。

1995年Zahedi又在 IP的基础上研制出性能更完善的智能假肢 IP+（Intelligent Prosthesis Plus）。

此外，日本的 Nabco Ltd.公司也在 1994年研制出结构类似于 IP+的智能假肢 NI-C111 （图1）。

目前国际上已开发出的商业智能膝关节假肢产品有 Otto Bock的C-Leg、英国布莱切福特公司研制的第二代自适应仿生人工腿ADAPTIVE2 和第三代全智能假肢 Smart IP （Smart Intelligent Prosthesis）和 Ossur公司的Smart Magetix Knee等（图2），其中Ossur公司的Smart Magetix Knee（图 3）的膝关节力矩控制采用的就是磁流变阻尼器。

这三种智能假肢有一些共同特点 :第一，膝关节都是单轴型 ;第二，腿直立期
都采用负荷制动式控制方法 ;第三，腿摆动时都采用气压控制方式 ; 第四，膝关节
的弯曲和伸展速度基本上都能跟随截肢者步行速度的变化而变化，较好地解决了以
前研制的假肢所面临的这一难题，这是智能假肢所具有的最优秀的特点。

智能假肢与以前研制的假肢最大的不同之处在于其膝关节弯曲和伸展的控制
上。

在智能假肢的膝关节内装有步速传感器、尾部带有小型电机的差动式单级空压
气缸、微处理器以及电池等。

步速传感器能实时检测出步行速度（以步行周
期的形式表示）。

空压气缸尾部的电机可以控制气缸内一个针阀（节流阀）的开
度，通过改变阀门开度可以调节膝关节弯曲和伸展的阻尼，从而达到改变膝关节弯
曲和伸展速度的目的。

IP+和 NI-C111 两种智能假肢都可以为截肢者提供五种速度
选择，并能自动纠正步态的偏差，减少行走的不适。

研制的自适应仿生人工腿 Smart IP ， (c) Otto Bock 公司研制的 C-Leg 智能假肢
当其电池电压过低或微处理器出现故障时， 电机将停止工作， 但此 时阀门的开度仍被维持， 所以截肢者仍能按一定速度行走。

针阀只在步速变化时 才会动作。

以固定速度行走时 (允许有小幅波动 ) ，电机不会消耗电能。

IP+和 NI-C111 都是使用小型铿电池供电，电池寿命会因使用者的步行量、步速变化的 频率不同有所差异，一般为一年左右。

智能腿是目前唯一能够覆盖从慢到非常快的较宽步速范围的假肢， 某些截肢 者使用智能腿后能够实现 120 米/分钟左右这样一种接近跑步的速度。

(a) 图1 (a)英国布莱切福特公司研制的
(b)
IP+， (b)日本Nabco Ltd.公司研制的 NI-
C111 (a) (b) (c)
图2 (a)英国布莱切福特公司研制的自适应仿生人工腿 ADAPTIVE2 ，(b)英国布莱切福特公司
需要着重指出的是，英国和日本研制的 IP, IP+和 NI 一 C111 并非真正意义上的“智能”假肢。

它们之所以被业界称之为智能假肢，是因为在其设计中首次引入了微处理器芯片以及步速传感器，使其与以前的纯机械式假肢相比具有了自动调整步速的能力。

但是，其调整步速用的控制器采用的是开环结构，无法确保位置控制量（气缸内针阀开度）的实际值与期望值准确相等，控制精度不高，并且控制器中也未采用任何智能算法。

所以，如果把这些假肢称作为机电假肢更为合适。

另外据报道，近几年英国布莱切福特公司以及德国奥托搏克公司又研制出智能仿生假肢 C-Lego 智能仿生假肢是第三代，也是当今世界最新型的智能假肢，它主要有以下特点 :第一是它可即时探测到患者以不同速度行走、上下坡、上下楼梯、绊脚要摔跤等不同的行走方式和行走状态，并据此迅速做出反应，给假肢以恰当的控制和支持，让其智能跟随模仿健侧肢运动，使患者可象正常人一样行走与站立 ;第二是新型的力传感器与速度传感器组合，力传感器探测支撑期膝关节受力情况，速度传感器感应摆动速度，二者配合使用，微处理器可以瞬间精确判断患者所处的不同的行走状态和行走方式，同时，微处理器将所得信号进行加工处理，通过伺服电机控制膝关节液压系统 ;第三是独创的液压缸和汽缸组合装置，既发挥了液压缸控制支撑期安全可靠、力量强劲的特长，又突出了汽缸支持摆动期反应迅速，轻便敏捷的优点。