特别策划《智能假肢膝关节的研发要点及其研究进展综述》

正《智能假肢膝关节的研发要点及其研究进展综述》序言智能假肢融合了先进的智能控制技术、传感器技术、计算机技术、机械设计与制造技术、新材料技术与康复工程技术,是现代科技发展的综合成果之一。我国有近160万因地震、车祸、工伤等原因导致的下肢截肢者,先进的假肢膝关节可以有效地恢复其运动功能,相关的研究具有重要的社会意义和经济价值。本文在介绍国内外智能假肢膝关节研究主要进展的基础上,从假肢膝关节的结构与调控方式、假肢穿戴者的运动意图识别、驱动控制、人机协调控制等方面做了分析介绍,明确了假肢膝关节在智能化研究与安全性、个性化与通用性、人机共融、科学伦理、关键技术等方面需要注意的问题,归纳了其中的研发要点和技术思路,总结了 "以人为本"、技术方法和科学伦理并重、医工结合与多学科交叉融合的研究方法。     

智能假肢膝关节的研发要点及其研究进展综述

目的 介绍国内外智能假肢膝关节研究的主要进展,为相关领域的研发提供可借鉴的思路.方法 基于机械结构、调控方式、驱动方式,对典型假肢膝关节进行了分类比较,并从假肢穿戴者的运动意图识别、驱动控制、人机协调控制等方面做了分析.此外,对假肢膝关节在智能化研究与安全性、个性化与通用性、人机共融技术、科学伦理、关键技术等方面需要注意的问题,提出了研发要点和技术思路.结论 智能假肢膝关节应注重安全性与稳定性,规避用户在使用过程中的潜在危险因素;实现假肢控制参数的自整定和灵活适配,在个性化与通用性上达到平衡;综合考虑人—机—环境因素,实现协调控制;坚持"以人为本",在技术方法和科学伦理两个方面开展医工结合的研究;突破关键技术限制,建立完善的社会医疗康复保障服务体系.     

基于虚拟样机技术的下肢假肢结构设计与仿真

下肢假肢动力学问题是智能仿生人工腿(intelligent bionic artificial limb prosthesis)研究领域中的重要内容．针对智能仿生人工腿,设计下肢假肢基本结构,运用Pro/E建立下肢假肢膝踝足关节模型,进行非线性动力学分析,并考虑了关节间的摩擦问题．最后,通过ADAMS虚拟样机技术,对人体行走步态进行仿真模拟控制,为下肢假肢、步行机器人研究提供了理论基础．     

上假肢运动学逆解可视化研究

针对上假肢的结构特点,提出用机构运动等同性条件和代数法相结合的方法来解决上假肢运动关节变量的逆解问题,以避免多次逆矩阵相乘。利用VB对CATIA进行二次开发,在CATIA软件中实现上假肢关节各个解所对应的空间位置姿态图形显示,可直观地判断解的有效性,为上假肢运动控制研究奠定基础。     

假肢交互中振动反馈的设计方法

目的 完成假肢交互中振动反馈的设计方法,选择合适的振动反馈信号,为假肢反馈端的设计提供科学依据。方法 选择振动作为反馈信号,通过人机交互实验测量不同振动强度下人体的差别阈限,模拟截肢者在振动反馈下使用假肢完成任务的过程。结果 得出相应的用户数据并对其进行分析,在实验结果基础上提出假肢交互中振动反馈的设计方法。结论 振动对于人体是一种新的信号,截肢者可以通过训练逐渐掌握振动反馈,提升其对假肢产品的认同感,将假肢真正作为自己身体的一部分。以振动反馈的设计流程为例所提出的振动反馈的设计方法,为假肢产品反馈端的信号选择提供了包括用户灵敏度、人体对交互方式的适应期和用户的心理学数据等量化信息,提升截肢者对假肢产品的体验。     

采用改进D-S证据融合的动力型假肢运动模式预识别

动力型假肢是目前康复工程研究的热点问题之一,动力型假肢穿戴者行走的各路况运动模式的预识别是关键的一个环节.为了能够充分地描述路况信息,本文采集髋关节角度、加速度运动信息和前后脚底压力信息作为识别信号源,采用改进的D-S(Dempster/Shafer)证据理论方法将陀螺仪传感器和加速度传感器信息融合,从而对假肢穿戴者行...     

假肢接受腔3D打印模型的正逆向混合建模

针对传统工艺制作假肢接受腔依赖于石膏取型,以及金属阳四爪连接盘与假肢接受腔依赖于人工手动加工连接的问题,提出了一种基于SLA3D打印技术的假肢接受腔制作方法。通过仿真分析软件迭代设计得到承压合理的接受腔模型;通过正逆向混合建模,将光敏树脂接受腔和金属阳四爪连接盘复合。结果表明：3 mm厚的光敏树脂材料符合假肢接受腔的应用要求;切片层厚为0.2 mm时,光敏树脂接受腔和金属阳四爪连接盘的复合效果最佳。用SLA 3D打印假肢接受腔是可行性的。     

一种基于肌电信号的踝关节动作预测方法的研究

进行了使用肌电信号预测关节动作的研究,提出了一种基于肌电信号的预测踝关节动作的方法。首先,选取与踝关节动作相关的5块肌肉(胫骨前肌、腓肠内肌、腓肠外肌、腓骨长肌和比目鱼肌)以及踝关节角作为研究对象,采集这5块肌肉的肌电信号和踝关节角信号,并进行特征提取和归一化处理。然后,建立了一个四层前向神经网络模型,使用误差逆向传播(BP)算法进行训练。最后,神经网络预测输出值经过六层小波去噪处理。实验中,9名志愿者的踝关节在矢状面内做有规律的背屈和跖屈动作,采集踝关节角和上述5块肌肉表面肌电信号,然后用上述方法预测踝关节动作,用相关系数评价预测的效果。实验结果显示,所提出的方法可以准确预测踝关节动作。     

国家康复辅具研究中心

<正>国家康复辅具研究中心(简称"中心")前身是民政部假肢科学研究所,创建于1979年5月。随着我国经济技术的不断发展和人们健康理念的逐步改变,为保障残障群体("残障群体"泛指残疾人、老年人和伤病人,此概念与世界卫生组织定义的"残疾"相对应)权益,发展我国康复辅具事业,由11位院士提议,经国务院主要领导批示,于2006年3月在假肢所的基础上组建成立了国家康复辅具研究中心。中心研究内容由原来单一的假肢、矫形器向康复辅具类十一大类产品全方位扩展。中心设有国家     

假肢接受腔阳模数控加工刀具的运动轨迹规划

应用表面建模方法，建立了假肢接受腔的三维数学模型。针对假肢接受腔的独特外形特征，研制了加工假肢接受腔阳模的三轴联动数控机床，该机床控制系统采用开环系统，可以运行CAD／CAM软件。对加工假肢接受腔阳模的刀具进行了运动轨迹规划，推导出了切削点的计算公式。根据三维刀具半径补偿原理，确定了刀具的刀位点运动轨迹。经过临床实例加工表明：该数控机床和刀具运动轨迹规划算法完全满足实际应用要求。     

让老年人独立自主的生活——专访国家康复辅具研究中心助理研究员单新颖

<正>单新颖国家康复辅具研究中心助理研究员,博士,全国残疾人康复和专用设备标准化技术委员会轮椅车分技术委员会委员。我国康复辅具的发展最早可以追溯到20世纪40年代初,当时的辅具主要服务于军队,用于战后伤员的康复工作,主要是假肢矫形器产品和配置服务;20世纪80年代初到本世纪初,康复概念引入中国,假肢矫形器、轮椅车等康复工程产品发展,康复辅具概念开始引入;2006~2014年被认为是康复辅具的扩展阶段,2006年国家康复辅具研究中心成立,中国     

人工踝关节体外磨损应用进展

目前，人工关节磨损试验装置可成功地预测人工髋关节和人工膝关节置换后的磨损性能，但针对人工踝关节的磨损性能研究相对偏少。本文对人工踝关节磨损试验的标准和文献进行系统回顾，总结了文献中的运动参数和试验结果，并分析了结果产生差异的原因，为增加模拟人体运动的种类，进行标准试验，研发专用的人工踝关节磨损试验装置提供参考。     

基于肌电小波包统计特征的踝关节动作识别

为改善足下垂患者步态,研究了踝关节不同动作的表面肌电信号特征分类.本文采集踝关节在不同动作下,对应胫骨前肌、腓肠肌、腓骨长肌和拇长伸肌的表面肌电信号,采用小波包分解方法进行肌电特征提取,获得小波包系数能量、方差统计特征量;利用支持向量机方法实现踝关节4种不同动作模式的肌电特征分类.实验结果表明,采用具有良好奇异特性的小波包能量、对数方差构成的肌电特征向量,对踝关节动作进行模式识别,其正确率远高于通过提取肌电信号时域或者频域特征进行模式分类的正确率,达到了92.8%的平均分类正确率.该特征提取方法以及支持向量机分类器,可以应用于踝关节动作识别和机器人康复工程.     

Todd Kuiken,生物学医学博士仿生人设计

Kuiken重新排列人的神经结构,改变假肢以及佩戴假肢人的生活当很多工程师解决那些关于设备或者机械问题的时候,很少看见有人成功的塑造人类肢体以及那些在许多工程师以及科学家心中长期梦想的设计:仿生人。     

基于表面肌电信号对比分析的膝下假肢爬梯补偿机制研究

表面肌电信号是测试肌力大小的重要指标之一。本文通过对6名健体者（健康人组）和6名膝下假肢者（残疾人组）爬梯活动中左右竖脊肌和左右股直肌的表面肌电的时域和频域分析,对比两组被试在爬梯过程中的这四块主要活动肌群肌力的差异。结果,无论是中值频率（Mr）还是积分肌电值（iEMG）,残疾人被试在假肢一侧的股直肌指标值都要显著小于其健体一侧（P〈0．05,n=87）,也小于健康被试的股直肌。残疾被试的竖脊肌显著大于健康被试（P〈O．001,n=87）。研究表明,爬梯过程中,残疾人假肢一侧的股直肌持久力和爆发力均弱于其他身体部位,腰部及健体一侧提供能力补偿。     

3D打印智能拇指 无惧残缺

<正>假肢装置通常适用于残疾人,但伦敦皇家艺术学院的研究生DaniClode想改变这种观念。最近,她用3D打印创造出一种可穿戴的"第三根拇指"假肢。这种假肢能拓展身体健全人的能力,允许他们以新的方式来抓住和操纵物体,甚至执行复杂的任务,如弹吉他。"第三根拇指"用Ninjaflex线材制成。由于有两个发动机和三个铰链,它能在多个方向上移动以及像真手指一样进行三段式弯曲。一个3D打印树脂盖将它保持在适当的位置。有意思的是,     

仿生手臂帮助截肢士兵

美国军方正在资助一个电机驱动的、轻量级的义肢项目旨在为那些失去肢臂的人提供了一个前所未有的活动范围。退伍军人事务部(VA)的健康研究科学家,Linda Resnik博士,告诉我们。所谓的模块化DEKA手臂——由美国国防高级研究计划局(DARPA)、退伍军人事务部研究所(退伍军人事务部的左膀右臂)和一个名叫DEKA小型假肢公司协作研究——是使用电池驱动的电机和一系列的控制来给上肢截肢者更多可定制     

全国残疾人康复和专用设备标准化技术委员会

<正>全国残疾人康复和专用设备标准化技术委员会(SAC/TC148)成立于1989年,秘书处设在中国康复器具协会,负责全国残疾人康复和专用设备等专业领域标准化工作。其对口两个ISO标准化技术委员——ISO/TC 168"假肢和矫形器标准化技术委员会"和ISO/TC173"康复辅具标准化技术委员会"。ISO/TC168主要制定有关假肢和矫形器方面的国际标准,ISO/TC 173主要制定轮椅车、助行器、无障碍设施等     

基于串联弹性原理和增广上三角分解辨识算法的踝关节阻抗估计方法

研究人体关节阻抗对仿生机器人阻抗控制策略研究有重要意义。针对前期设计的踝关节阻抗测量装置（impedance detection device for ankle joint,IDDAJ）机械结构复杂及机理法建模难度大,提出了一种基于串联弹性原理和增广上三角分解辨识（augmented upper-diagonal decomposition identification,AUDI）算法的踝关节阻抗估计方法。为降低对IDDAJ驱动单元的性能要求,基于串联弹性原理,将其输入扰动中的大直流分量和动态高频分量分离;为降低建模难度,采用不受模型阶次影响的AUDI算法直接辨识IDDAJ阻抗模型,以获得更加准确的装置阻抗模型参数。根据联合阻抗测量原理,在得到IDDAJ阻抗模型后,采用AUDI算法辨识小腿肌肉不同激活程度下踝关节阻抗模型的参数。结果表明,采用AUDI算法辨识得到的IDDAJ阻抗模型的可靠性高于采用机理法得到的;在小腿肌肉放松状态下踝关节阻抗模型的参数处于同一数量级,踝关节阻抗模型的阻尼分量B、刚度分量K与小腿肌肉激活程度成正相关,这与现有文献中的结果一致。研究结果可为IDDAJ的研制和其他关节阻抗测量方法的研究提供参考。     

基于EMG频域特征的假肢机电信号识别研究

采集人体表面肌电信号并进行有效模式识别,是多功能假肢研究的关键技术之一.本文研究肌电信号(EMG)的频域信息,以提取有效特征识别不同的手腕部动作.实验采集了8种不同的手腕动作的EMG信号.分别提取了EMG信号的时间序列模型(AR)、时域统计量(DT)、功率谱估计(PSD)、短时傅里叶变换(STFT)和互功率谱(CPSD...