仿生多自由度假肢的研究与应用

仿生多自由度假肢的研究与应用

虽然没有明确定义模仿智能假肢的具体定义，但具体评价指标也随着假肢技术的进步而不断提高。实际上,假肢本身就是一种仿生的机械/机电产品,冠以仿生是强调其性能比目前常见假肢更接近于真实肢体,冠以智能是强调其具有主动适应外部条件变化的能力。总的来看,目前假肢仿生和智能水平都还是非常初级的。随着机械、电子、信息等技术的飞速发展,能够主动伸膝的动力膝关节、运动灵活精巧的多指多自由度假手等高性能仿生智能假肢不断推向市场,植入式骨整合假肢也日臻完善。本文结合清华大学承担的相关项目,介绍有关仿生智能假肢的研究与进展、典型产品及其发展趋势。1温度调节装置的研究假手是上肢假肢末端执行器,目前市场上大量供应的假手手部只有张合一个自由度,指关节也不能活动。随着机器人灵巧手集成化程度越来越高,英国、德国、中国、美国、意大利等国家开始利用机器人灵巧手技术开发供截肢者使用的多指多自由假手。图1是德国宇航中心和哈尔滨工业大学联合开发的4个手指12个自由度的DLR/HIT灵巧手,其所有机械和电子零部件都集成在手掌或手指之中,是目前集成度最高的机器人灵巧手,该灵巧手荣获2007年欧盟机器人技术转化一等奖。我国自然科学基金委员会于2005年设立了一项重点基金,资助哈尔滨工业大学(机电和语音控制系统)、清华大学(肌电控制系统)和东北大学(脑电控制系统)联合研制多指多自由度仿生假手。多指多自由度仿生假手研究的难点在于:(1)如何将多指多自由度机电系统布置在不大于正常人手的空间内,而且重量也不能超过人手的重量;(2)如何使截肢者能够简单、方便、准确地操控多个自由度,充分发挥多指多自由的作用。图2所示样机的拇指、食指和其它3个手指各采用一个电机控制,有13个活动关节;手指采用了欠驱动的四杆机构,触到物体时,手指中间的关节会自动屈曲,自适应抓握物体。采用欠驱动机构在保证假手具有足够的灵活性的同时,大大减少了电机及其传动系统,减轻了整体重量和截肢者操控的难度。该样机体积188mm×86mm×28mm,重量500kg,与正常人手的体积和重量大体相当。常见的肌电假手,通常都是利用一对拮抗肌表面的肌电信号来控制一个电机正反转实现假手张合运动的。图2样机采用三个电机,而在残肢表面很难找到三对信号相互之间没有耦合的拮抗肌,为了研究如何利用较少通道的肌电信号控制较多的电机,清华大学开发了肌电信号分析与识别方法的专用实验平台(图3),利用该平台可以对不同肌电特征提取方法及分类器进行对比研究,也可以用选定的特征提取方法和训练好的分类器直接操控假手,实现多自由度假手的肌电信号模式控制。图4是英国TouchBionics最近推出的i-limb多指多自由度假手:5个手指分别有1个电机驱动;每个手指有2个关节,这两个关节不能独立运动,是耦合的;是5自由度10关节的肌电控制假手,也是第一个推向市场的多指多自由度仿生假手。2智能膝关节的特性假肢膝关节在行走过程中不仅起到支撑体重的作用,而且其性能对改善假肢使用者的步态起着决定性的作用。理想的智能假肢膝关节应该具有如下特性:(2)在一定角度下可以提供足够的阻尼力矩,使得假肢能交替地下楼梯;(3)在一定角度下可以提供伸膝力矩,使得假肢交替地上楼梯。目前所有智能膝关节都具有第一个特性,只有C-LEG、RheoKnee和PowerKnee具有第二个特性,其中PowerKnee动力膝关节还具有第三个特性。智能假肢膝关节由于技术含量比较高,所以价格比较昂贵,如图5所示的PowerKnee动力膝关节价格就超过60万元,C-LEG和RheoKnee也在30万元左右。国内外从事智能膝关节研究机构比较多,RheoKnee就是由美国麻省理工学院发明的,我国的清华大学、河北工业大学、国家康复辅具研究中心、东北大学、中南大学等高校和科研机构也开展此类研究工作。近年来,我国对智能假肢膝关节的发展也比较重视,“十一五”国家科技支撑计划重点项目“残障人生活保障辅具研究”中设立了智能下肢假肢研制课题,该课题由河北工业大学、清华大学和国家康复辅具研究中心联合承担,目标是推出具有我国自主知识产权的智能假肢膝关节,使膝上截肢者能够安装价格低廉、性能优良的智能下肢假肢。3植入式骨整合假地的安全保护装置和技术植入式骨整合假肢借鉴种植牙和人工关节植入技术,通过植入残端骨内腔的植入体伸出体外部分,直接将假肢连接在人体上(图6)。它没有传统假肢用于传递运动和动力的接受腔,直接通过植入体将力传于主干骨,符合人体生物力学规律。这种假肢从根本上解决了传统假肢因接受腔-残肢介面环境透气性差,活动范围受限,因摩擦引起残肢感染,以及残肢过短不能安装假肢的限制等问题。植入式骨整合假肢关键的技术问题在于如何实现经皮密封和如何防止基桩弯曲断裂的问题。我国863高技术发展计划在十五期间支持四川大学和清华大学联合开展“生物活性经皮骨植入材料和植入式智能假肢研究”。在基桩表面处理技术及其安全保护装置方面取得了很大进展,但是由于种种原因,只开展了动物实验,没有进行临床患者实验。不仅植入式骨整合假肢在安装过程中需要进行外科手术,美国西北大学研制的“意识控制的智能手臂”还需要先进行神经外科手术,把控制手臂运动的神经迁移到胸肌上,由胸肌处的表面电极提取截肢者大脑发出的控制手臂运动的肌电信号,用这个信号来控制肩膀、肘部、手腕或手指的电机,使其完成相应的动作(图7)。这种“意识控制的智能手臂”与传统的肌电假肢的原理是一样的,其优点是可以给肩部残端很短的患者安装类似肌电信号进行仿生控制的假肢。尽管植入式骨整合假肢和意识控制的智能手臂在舒适性等方面比传统假肢有很大提高,但是由于需要进行外科手术,增加了风险,因此很多国家及截肢者对这种有创技术的推广,甚至进行人体实验都比较慎重,这也是这类技术至今没有大范围应用的主要原因。4假证系统的特殊性假肢技术需要关注的主要方面有:(1)运动仿生和控制仿生始终是假肢研究的核心问题。前者是使假肢具有自然肢体的运动能力,后者是使假肢系统的动作能随心所欲。目前机器人技术、生物信息、信息科学、生物材料、微型技术、显微外科、等多种领域中的新技术进展为假肢技术进一步发展创造了条件。但是应用于人体的假肢系统有其特殊性。例如对于灵巧手的研究成果很多,但用到假肢上,必须解决人体控制信息与假手的交互问题,才能实现对多自由度随心所欲的控制。又如关于步行机器人的研究成果也很丰富,但用于动力假肢系统,必须要有力矩大、重量轻、效率高的新型驱动器,以满足上坡、上楼梯的要求。(2)先进的假肢系统需要与人组成一体,才能发挥作用。由于个体的差异性,假肢与人的协调和适配也是实现各种功能的关键所在。这是假肢装配需要完成的任务。目前在假肢装配中比较多的依靠经验。实现科学地从对人体功能状态评估到适