假肢技术的研究热点及发展趋势分析

闫畅+汤佳+王小峰

指导老师：王小峰

摘 要：随着社会的不断发展，假肢技术的突破逐渐得到了人们的关注。它能够作为缺损肢体的替代品，为残疾人士提供了极大的便利。传统的假肢技术存在着许多弊端，主要表现为功能过于简单、外形笨重、操作不便等等。因此，现代化的假肢技术渐渐得到了深入，朝着智能化、自动化的方向发展，以期能够使患者重新站立起来。本文针对假肢技术的研究热点，对其发展趋势进行分析。

关键词：假肢技术；研究热点；发展趋势

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为了能够帮助更多的残疾人士，给予他们正常生活的机会，假肢技术的研究是必不可少的。但现有的假肢装配无法满足人们的基本要求，它只能够起到一些辅助支撑作用。因此，我国专家加大了对智能化假肢的研究投入，从材料的选择入手，以期制作出更加轻便、更贴近人体的假肢。

1 假肢技术的发展现状

不同国家对假肢技术的研究时间是不一的。就我国来说，假肢技术的起步相对较晚，尤其是智能假肢的制造，是从上个世纪80年代才开始的。最初的发起单位是清华大学，专家在关节控制的基础上对各部位的连接程序进行测试，观察在电动摩擦的前提下是否能够起到相应的控制作用。这项活动也作为假肢技术的开端，引起了更多人的重视。接下来的十年中，上海理工大学与中南大学的教授分别提出了膝关节角度理论与仿生人工腿，为假肢技术的深入提供了依据。近几年来，我国的假肢技术也愈发精进，能够为更多有缺陷的人群提供综合性服务。但值得注意的是，智能化假肢技术还没有完全得到普及，一般人无法承受优质假肢的价格，无法满足高性能对人体的需求。

2 假肢技术的发展趋势

2.1 智能化发展

现有的假肢技术逐渐朝着智能化的方向发展，它不仅体现在材料的选择上，更加在应用上有着突出的效果。从人体的运动规律上来讲，它需要各关节的配合才能够完成。某一部位受到了伤害，都会影响肢体的发展与完善。因此，智能化的假肢技术将这几部分考虑了进去，实现运动轨迹的模仿。以“下肢行走”为例，系统会参考膝关节、踝关节、以及转弯角度、行走速度等因素进行调整，并达到不同运动模式转换的目的。它的好处在于与人体实际状况非常贴近，能够对外部环境做出最佳的响应，并提供运动信息的采集数据。

2.2 仿真化发展

假肢技术的仿真化也是其发展趋势之一。它主要表现在以下几个方面：第一，专家取肢体中最活跃的五个部位，对其行走周期进行拟合。以“膝关节”的运动仿真为例，系统会将膝关节的弯曲角度与时间作为两个可控制变量，观察肢体运动下二者发生的变化。接着，以同一人的运动规律为基准，统计几组不同的步态周期。最后，将最大值和最小值去掉后，算出其中的平均数，作为运动的基本模型。这种方法非常适合现代的假肢制造技术，它能够将真假之间的距离尽量缩短到最小，并实现过程的优化与关节的灵活控制。

3 假肢技术的研究热点

3.1 动力型假肢的广泛应用

动力型假肢可以称得上是现代假肢技术的热点之一。不管是在组织结构上，还是在功能设定上，它都有着一定的优越性。与正常的设计方法不同，它主要根据膝关节的动态平衡规律，得出行走的运作方向，并通过机械设计的方法打造相互协作的滚动式链条。系统的控制方法比较复杂，相关人员要在程序设定的基础上建立数学模型，以人体关节参数为中心，来完成仿生结构的制造。总体而言，它属于多轴智能假肢结构。系统会找出一个运动基点，也就是运动过程中的轴线，进行相应的变化。它会依照运动时不同的路况，来设定不同的轴对称点，并满足电机与连杆相结合的特定要求。以“膝关节”为例，动力型系统控制器的两端通过连接杆整合到一个平台中，而直线电机则可以依靠旋转轴进行运动，为小腿肌肉提供动力。传动杆会随着电机的旋转而运作，在为肢体主动的提供能量。为了使假肢的结构更加稳定，系统会依照设定的路径来调节传动杆的长短，并以四连杆为基点，来带动内部从动杆的运动。系统也可以对电机的旋转过程进行辅助，以电动推动缸作为动力源，来控制四连杆的弯曲或转乘，以达到直线导航的目的，为膝关节的伸展提供条件。

3.2 下肢运动基本规律模拟

下肢运动基本规律的模拟主要通过以下几个过程来实现。第一，系统会对下肢运动数据进行采集，以达到假肢标准测定的目的。首先，系统要对人体的动作数据进行捕捉，在同一时间点内观察动作的变化规律。应用程序中每分钟能够记录240组不同的动作。接着将数据进行分组，找到其中的规律并在不同的信道中进行输送。最后，系统终端会接收以上信号并制定出相应的图片，并通过软件中的模拟平台将连杆的接入方式变为人体肢体的实际运动形态。另外，太网有信号处理的功能，可以在反光点采集的基础上对各关节的角度进行模拟。第二，下肢运动规律分析。由于每个人的行走习惯以及动作快慢不同，假肢的制作方式也不尽相同。我们可以在测试者身上绑定电位测定仪，将脚跟与地面接触的时间与次数作为周期的计算方式，分析两条腿的摆动幅度与间距，实现信息的智能化处理。

3.3 基于有限状态机的专家控制

有限状态机的专家控制方法比较先进。首先，系统可以依照路况将行走的不同方式描述出来，实现状态的有限集合。其次，当测定数据形成了一定的规律，系统会将其中的内容自动整合为一个部分进行输出。该方法的特点就在“事件的对应上”，它可以测定人体行走时重复性运动的特征，以肢体关节间的连接顺序为基础，制定相应的目标参数，并通过规则的演变来得到强化。这种方式的好处在于假肢的运动程序更加贴近人体，能够及时感应到传感器所发送的行走信号，并作出及时的回应，实现自动化控制。

4 结语

综上所述，我国当前的假肢技术得到了一定的转变，在原有简化方式改变的基础上实现数据的自动收集，提供运动模拟的基本条件。同时，就未来的发展趋势而言，假肢技术必然朝着自动化、智能化的方向发展，为残疾人士提供更加舒适的服务。

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