假肢技術的研究熱點及發展趨勢分析

閆暢+湯佳+王小峰

指導老師：王小峰

摘 要：隨著社會的不斷發展，假肢技術的突破逐漸得到了人們的關注。它能夠作為缺損肢體的替代品，為殘疾人士提供了極大的便利。傳統的假肢技術存在著許多弊端，主要表現為功能過于簡單、外形笨重、操作不便等等。因此，現代化的假肢技術漸漸得到了深入，朝著智能化、自動化的方向發展，以期能夠使患者重新站立起來。本文針對假肢技術的研究熱點，對其發展趨勢進行分析。

關鍵詞：假肢技術；研究熱點；發展趨勢

鄭州大學大學生創新創業訓練計劃資助項目

為了能夠幫助更多的殘疾人士，給予他們正常生活的機會，假肢技術的研究是必不可少的。但現有的假肢裝配無法滿足人們的基本要求，它只能夠起到一些輔助支撐作用。因此，我國專家加大了對智能化假肢的研究投入，從材料的選擇入手，以期制作出更加輕便、更貼近人體的假肢。

1 假肢技術的發展現狀

不同國家對假肢技術的研究時間是不一的。就我國來說，假肢技術的起步相對較晚，尤其是智能假肢的制造，是從上個世紀80年代才開始的。最初的發起單位是清華大學，專家在關節控制的基礎上對各部位的連接程序進行測試，觀察在電動摩擦的前提下是否能夠起到相應的控制作用。這項活動也作為假肢技術的開端，引起了更多人的重視。接下來的十年中，上海理工大學與中南大學的教授分別提出了膝關節角度理論與仿生人工腿，為假肢技術的深入提供了依據。近幾年來，我國的假肢技術也愈發精進，能夠為更多有缺陷的人群提供綜合性服務。但值得注意的是，智能化假肢技術還沒有完全得到普及，一般人無法承受優質假肢的價格，無法滿足高性能對人體的需求。

2 假肢技術的發展趨勢

2.1 智能化發展

現有的假肢技術逐漸朝著智能化的方向發展，它不僅體現在材料的選擇上，更加在應用上有著突出的效果。從人體的運動規律上來講，它需要各關節的配合才能夠完成。某一部位受到了傷害，都會影響肢體的發展與完善。因此，智能化的假肢技術將這幾部分考慮了進去，實現運動軌跡的模仿。以“下肢行走”為例，系統會參考膝關節、踝關節、以及轉彎角度、行走速度等因素進行調整，并達到不同運動模式轉換的目的。它的好處在于與人體實際狀況非常貼近，能夠對外部環境做出最佳的響應，并提供運動信息的采集數據。

2.2 仿真化發展

假肢技術的仿真化也是其發展趨勢之一。它主要表現在以下幾個方面：第一，專家取肢體中最活躍的五個部位，對其行走周期進行擬合。以“膝關節”的運動仿真為例，系統會將膝關節的彎曲角度與時間作為兩個可控制變量，觀察肢體運動下二者發生的變化。接著，以同一人的運動規律為基準，統計幾組不同的步態周期。最后，將最大值和最小值去掉后，算出其中的平均數，作為運動的基本模型。這種方法非常適合現代的假肢制造技術，它能夠將真假之間的距離盡量縮短到最小，并實現過程的優化與關節的靈活控制。

3 假肢技術的研究熱點

3.1 動力型假肢的廣泛應用

動力型假肢可以稱得上是現代假肢技術的熱點之一。不管是在組織結構上，還是在功能設定上，它都有著一定的優越性。與正常的設計方法不同，它主要根據膝關節的動態平衡規律，得出行走的運作方向，并通過機械設計的方法打造相互協作的滾動式鏈條。系統的控制方法比較復雜，相關人員要在程序設定的基礎上建立數學模型，以人體關節參數為中心，來完成仿生結構的制造?？傮w而言，它屬于多軸智能假肢結構。系統會找出一個運動基點，也就是運動過程中的軸線，進行相應的變化。它會依照運動時不同的路況，來設定不同的軸對稱點，并滿足電機與連桿相結合的特定要求。以“膝關節”為例，動力型系統控制器的兩端通過連接桿整合到一個平臺中，而直線電機則可以依靠旋轉軸進行運動，為小腿肌肉提供動力。傳動桿會隨著電機的旋轉而運作，在為肢體主動的提供能量。為了使假肢的結構更加穩定，系統會依照設定的路徑來調節傳動桿的長短，并以四連桿為基點，來帶動內部從動桿的運動。系統也可以對電機的旋轉過程進行輔助，以電動推動缸作為動力源，來控制四連桿的彎曲或轉乘，以達到直線導航的目的，為膝關節的伸展提供條件。

3.2 下肢運動基本規律模擬

下肢運動基本規律的模擬主要通過以下幾個過程來實現。第一，系統會對下肢運動數據進行采集，以達到假肢標準測定的目的。首先，系統要對人體的動作數據進行捕捉，在同一時間點內觀察動作的變化規律。應用程序中每分鐘能夠記錄240組不同的動作。接著將數據進行分組，找到其中的規律并在不同的信道中進行輸送。最后，系統終端會接收以上信號并制定出相應的圖片，并通過軟件中的模擬平臺將連桿的接入方式變為人體肢體的實際運動形態。另外，太網有信號處理的功能，可以在反光點采集的基礎上對各關節的角度進行模擬。第二，下肢運動規律分析。由于每個人的行走習慣以及動作快慢不同，假肢的制作方式也不盡相同。我們可以在測試者身上綁定電位測定儀，將腳跟與地面接觸的時間與次數作為周期的計算方式，分析兩條腿的擺動幅度與間距，實現信息的智能化處理。

3.3 基于有限狀態機的專家控制

有限狀態機的專家控制方法比較先進。首先，系統可以依照路況將行走的不同方式描述出來，實現狀態的有限集合。其次，當測定數據形成了一定的規律，系統會將其中的內容自動整合為一個部分進行輸出。該方法的特點就在“事件的對應上”，它可以測定人體行走時重復性運動的特征，以肢體關節間的連接順序為基礎，制定相應的目標參數，并通過規則的演變來得到強化。這種方式的好處在于假肢的運動程序更加貼近人體，能夠及時感應到傳感器所發送的行走信號，并作出及時的回應，實現自動化控制。

4 結語

綜上所述，我國當前的假肢技術得到了一定的轉變，在原有簡化方式改變的基礎上實現數據的自動收集，提供運動模擬的基本條件。同時，就未來的發展趨勢而言，假肢技術必然朝著自動化、智能化的方向發展，為殘疾人士提供更加舒適的服務。

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