殘疾人用電子腳踝的設(shè)計(jì)

華俊陽(yáng) 何恩光 張樂(lè)天 唐 駿 陳雅潔 張雅晶

（安徽科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，鳳陽(yáng) 233100）

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前有8500萬(wàn)殘疾人，其中肢體殘疾人所占比重最大，有2400多萬(wàn)人。雖然目前動(dòng)力型假肢對(duì)上肢和下肢截肢者的潛在好處很明確，但多數(shù)研究和商業(yè)活動(dòng)都側(cè)重于活動(dòng)上肢裝置。目前，我們所見(jiàn)到的多數(shù)腳踝假體皆是依賴于地形的變化和人的做功，再通過(guò)假肢內(nèi)的機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)人體助行。因此，他們的機(jī)械性能不隨行走速度和地形的變化而產(chǎn)生相應(yīng)變化[1]。相反，正常的人體腳踝僵硬度在每個(gè)步態(tài)周期內(nèi)是隨人的步行速度而變化的[2-3]。此外，研究表明，人腳踝的主要功能之一是為身體的前進(jìn)過(guò)程提供足夠的能量[4-5]。因此，如果想要利用假體腳踝使殘疾人行走與正常人無(wú)異，則該腳踝必須具備為人體行走提供能量的功能。

1 人體腳踝工作原理

正常的人體步行生物力學(xué)為人電子腳踝的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)提供了基礎(chǔ)。平地步行步態(tài)循環(huán)通常被定義為從一只腳的腳跟著地開(kāi)始，到同一只腳的下一次腳跟著地為止[6]。步態(tài)周期的主要細(xì)分是站立階段（60%）和擺動(dòng)階段（40%），如圖1所示。搖擺階段代表了當(dāng)腳離地時(shí)步態(tài)周期的一部分。可以進(jìn)一步將站立階段分為三個(gè)子階段：受控跖屈（CP），受控背屈（CD）和動(dòng)力跖屈（PP）[3]。典型的腳踝扭矩對(duì)角度如圖2所示，其中，段1～2、2～3和3～4分別表示在步態(tài)的CP、CD和PP階段的腳踝扭矩角行為。

圖1 水平地面行走時(shí)正常人腳踝的生物力學(xué)

2 電子腳踝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3展示了用SolidWorks三維建模軟件設(shè)計(jì)的電子腳踝三維模型。整個(gè)電子腳踝系統(tǒng)由四個(gè)主要機(jī)械元件組成：大功率輸出電機(jī)（Maxon RE-max40）、變速箱（減速機(jī)和傘齒輪）、串聯(lián)彈簧和碳復(fù)合板簧假腳。將前三個(gè)部件組合成一個(gè)旋轉(zhuǎn)系列彈性致動(dòng)器（SEA），以模擬人體踝關(guān)節(jié)的行為，而彈性鋼板彈簧模擬人腳的功能。SEA通過(guò)控制系列彈簧被壓縮的程度來(lái)提供精確的力控制。

圖2 水平地面行走時(shí)腳踝扭矩與角度的關(guān)系

圖3 電子腳踝三維設(shè)計(jì)模型

圖4 電子腳踝控制原理圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)電子腳踝的基本控制系統(tǒng)，如圖4所示。如同在正常行走中一樣，電子腳踝靠線性扭轉(zhuǎn)彈簧控制。在CD段中，簡(jiǎn)單地使用兩個(gè)線性彈簧來(lái)近似人腳踝的非線性彈簧行為；當(dāng)腳踝角度通過(guò)90°時(shí)，仿真器的剛度從一個(gè)值變化到另一個(gè)值（中等姿態(tài)）。在PP期間，除了扭矩源TPP之外，還模擬虛擬彈簧K的能量返回過(guò)程。在擺動(dòng)階段，電子腳踝被控制為具有低剛度的線性彈簧。系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換取決于腳踏開(kāi)關(guān)和踝關(guān)節(jié)編碼器的測(cè)量結(jié)果。

4 結(jié)論

利用人體生物力學(xué)原理設(shè)計(jì)了一種新穎的殘疾人用電子腳踝來(lái)模擬正常的人體腳踝行為。通過(guò)對(duì)電子腳踝進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，完善了電子腳踝的使用功能，不僅能幫助殘疾人正常行走，而且兼有按摩功能，對(duì)殘疾人下肢的康復(fù)保健具有輔助作用。