我国2006 年第二次全国残疾人抽样调查结果显示，肢体残疾人数相比1987 年大幅增加，占残疾人总数的29.07%。由于人口老龄化、疾病(脑血管病、骨关节损伤等)、工伤和交通事故等原因，肢体残疾人的数量仍在持续增长[1]。对于下肢截肢者，安装假肢是恢复其站立支撑和行走功能的有效手段。不论是大腿还是小腿截肢，安装踝关节假肢都是必要的。

被动踝关节假肢结构简单、成本较低，是恢复截肢者行走能力的实用手段。目前市场上大多数踝关节假肢都是被动型，例如Ossur?LPVariflex?、Ottobock?Meridium?等。这种假肢存在一个共同缺点，即无法直接产生机械动力，而正常人行走过程中踝关节肌肉会在蹬离期提供直接的推动力，所以截肢者在穿戴此类踝关节假肢时需要消耗较多能量，并且不能适应坡道、楼梯等复杂路面情况[2]。

因此，可以提供主动驱动力的动力踝关节假肢应运而生，不但满足使用者日常生活需要(中高速行走、爬楼梯、跑、跳)，保证支撑期腿部的稳定性和摆动期脚踝的灵活性，而且可以通过调节输出力矩来适应不同运动情况及关节角度变化。在主动式下肢假肢中，识别层通过传感器数据判断人体运动模式，控制层把人体意图映射到控制算法中，执行层产生力矩驱动假肢运动(图1)。

近年来，微型传感器与嵌入式系统的发展推动了动力假肢研究[3-5]，但仍然存在一些尚未解决的问题，这些问题阻碍动力踝关节假肢的应用普及。在机构设计方面，主要是电源便携性、执行机构规格和仿生结构等问题。在控制方面，主要是策略和算法的优化和改进。本文对动力踝关节假肢研究进程及存在的问题进行阐述，为未来的发展方向提供一些建议。

1 机构设计

为了使穿戴者拥有更良好的使用体验，动力踝关节假肢的机构设计应注意以下几点：①假肢要轻，且体积小，以减轻穿戴者的身体负担；②人体踝关节运动范围是跖屈角50°，背屈角20°，因此假肢要有足够的灵活性；③假肢的储能元件和驱动器需要提供足够力矩以推动人体向前迈步。

根据驱动方式的不同，可以将动力踝关节假肢分为气动驱动、液压驱动和电机驱动三种。见表1。

1.1 气动驱动

美国、日本、欧洲等国家都进行过气动人工肌肉的研究，其中McKibben 型气动肌肉的研究最多，并且被广泛应用于假肢和类人机器人等领域。它将外部提供的空气作为驱动动力，通过空气的压缩和膨胀模拟人体肌肉的收缩和拉伸[6]。Sup 等[7]研制一款动力膝踝假肢，在膝关节与踝关节处装有气动执行机构，由四通伺服阀控制，输出力可达2270 N。Versluys 等[8-9]设计一款使用折叠气动人工肌肉驱动的动力踝关节假肢，当气动肌肉内的空气膨胀或收缩时，气动肌肉将纵向收缩或伸展对其负荷施加拉力，两块肌肉反向耦合完成关节的双向旋转。虽然气动肌肉成本低、装置简单，具有较大的驱动力和结构柔性，但其充气驱动形式为强非线性，且具有时变性，难以实现精确控制。同时它需使用较大质量和体积的气压泵作为动力源，这限制了穿戴者在日常生活中的使用。

图1 动力下肢假肢通用控制框图

1.2 液压驱动

英国巴斯大学实验室设计一款液压驱动的踝关节假肢，通过使用电液压驱动使假肢在被动和主动模式之间快速平稳地切换；在被动模式下，它使用两个节流器调节踝关节阻尼力矩。在主动模式下，液压泵通过液压缸将能量输送到踝关节，为人体的前进提供驱动力[10]。北京航空航天大学王兴坚等[3]设计了另一种采用电液压驱动的踝关节假肢，主要由周边机构和嵌入式液压系统组成；在一个步态周期的不同时期下(包括足跟着地、支撑期、蹬离期与摆动期)，电磁阀有不同的开度以提供不同的液压阻尼；前两个时期电机给蓄电池充电，第三个时期泵和蓄电池同时输出所需蹬地能量，成功地解决输出功率与电池寿命之间的矛盾。

1.3 电机驱动

电机驱动相对于气动肌肉驱动，体积较小，更容易实现精确控制。美国密西根大学Vallery等[11]设计的下肢假肢中，踝关节处的弹簧与脚板之间有离合器，电机驱动控制离合器开关；支撑前期弹簧不断压缩，当压缩到极限时离合器锁定；脚尖压力信号产生时离合器开启，释放的弹簧能量推动人体向前运动。美国马凯特大学Bergelin等[12]设计了一种动力踝关节假肢，踝关节扭矩为弹簧初始扭矩、弹簧扭矩与电机扭矩之和。美国麻省理工学院Herr团队[4,13-14]研发的动力踝关节假肢，采用电机与弹簧机构串联组合而成的串联弹簧执行器，具有一定柔顺性。王兴松团队[15]在串联弹簧执行器之外加入并联弹簧，形成主被动结合的驱动方式。比利时布鲁塞尔大学Cherelle 等[16-17]研制了AMP-Foot 2.0，使用低功率电动机将能量储存在弹簧中，并在合适的时间释放，较好地对能量进行有效利用，但不能对踝关节角度进行精确控制。北京大学王启宁团队[18]研发了具有刚性适应性踝关节和足趾关节的PANTOE，由串联弹性驱动器驱动，分节足假肢部分与人体足部相近，实验表明假肢的踝关节角和脚趾角都接近于健康肢体。地形自适应假肢PKURoboTPro[19]是具有阻尼性能的轻型假肢，但不能在支撑相提供推动，因此结合推动与阻尼特性重新设计结构并命名PKU-RoboTPro II，在推动力和轻量级之间做了权衡。与一代相比可以降低能量消耗(14±8)%，最大降低31%[5]。

文章来源：《机械设计与研究》 网址: http://www.jxsjyyj.cn/qikandaodu/2020/1119/394.html