一文“解构”智能假肢通识

一、智能假肢的概述

智能假肢，又叫神经义肢，生物电子装置，是指医生们利用现代生物电子学技术为患者把人体神经系统与照相机、话筒、马达之类的装置连接起来以嵌入和听从大脑指令的方式替代这个人群的躯体部分缺失或损毁的人工装置。而智能假肢的技术原理：当筋肉骨骼损毁或丧失，曾经控制着它们的大脑区域及神经也会继续存活。对许多伤残者而言，与断肢对应的脑区和神经都在静候联络，如同话机被扯掉的电话线。医生通过外科手术，为患者把这些人体构造与照相机、话筒、马达之类的装置连接起来。他们使用的这些机器被称作神经义肢，或者科学家们越来越喜欢用这个大众流行的词语——生物电子装置。

二、智能假肢的发展现状

  智能假肢是解决下肢截肢者行动障碍的重要辅具。传统的纯机械假肢因为不具备感知和自主调节功能，所以只能满足日常生活中相对简单的最基本的辅助运动功能，其性能难以达到截肢者对高质量生活的实际需求。智能假肢由于装配了微控制器、检测人体运动状态的传感器及调节假肢关节运动速度的驱动装置， 在其微控制器内嵌程序的调控下，可以对假肢的摆动期速度进行调节，并且能够对支撑期的稳定性进行自动控制。随着传感器、微电子等技术的发展，各型假肢不断升级优化。从 Ossur 公司的 Rheo Knee 和 Power Knee 智能仿生膝关节，到 Otto Bock 公司的 C-Leg、 Genium 和 Genium X3 智能仿生腿，以及各高校科研团队研发的样机等，在假肢穿戴者运动状态识别、人机协调性、助力性能、能量效率等方面表现出了良好性能。          20 世纪中期，一些发达国家推出了多种现代假肢膝关节，例如德国 Otto Bock 公司的机械假肢，可根据不同截肢者的行走特点，手动调节阻尼针阀开度，找到适合不同假肢穿戴者的阻尼值。

         20 世纪 90 年代，多种融合了自控技术的初级智能假肢陆续面市，例如英国布莱切福特公司的 IP+、日 本 Nabco 公司的 NI-CIII、德国 Otto Bock 公司的 Genium、冰岛 Ossur 公司的 Rheo Knee、英 国 Endolite 公司的 Elan 等。

       2006 年，德国 Otto Bock 公司推出 了 C-LEG 系列产品，能够利用角度、力矩等传感器判断穿戴者的运动意图，实现自主调节控制       2009 年，冰岛 Ossur 公司推出了带有致动器的 Power Knee， 其后又推出了配备有更强力致动器和新型运动传感器的 Symbionic Leg3 假肢，能使假肢穿戴者获得更为自然顺畅的步态。

      2012 年，德国 Otto Bock 公司在原 有 C-LEG 系列假肢产品的基础上，又新推出了功能更强的 Genium 系列动力型智能假肢，具有更强的感知性能，能实现双下肢交替下楼梯运动，而且不同运动模式间可任意切换。      2015 年，升级的 Genium X3 又增加了跑动、跨障、游泳等功能，极大地丰富了假肢穿戴者的生活。

      2018 年，Ossur 公司推出了 XC 仿生磁控膝关节，对传感器进行了升级，使假肢控制的稳定性和穿戴者的活动能力均得到了提升。

  在我国，各种假肢产品不断出现，台湾德林公司 2014 年推出了四连杆膝关节的 VOne 智能电子义肢（中国台湾地区习惯称假肢为义肢），2020 年又新研发了五连杆膝关节的雅德力二代仿生腿， 分别通过所配备的 3D 重力传感器或三轴加速度传感器，判断假肢穿戴者的行走路况和意图，调整关节阻力。北京精博公司在传统机械式 4S 单轴承重自锁和四连杆膝关节的基础上，研制了 JB-501 和 601 等型号的步速跟随气压膝关节。国家康复辅具中心及河北工业大学智能康复装置与检测技术教育部工程研究中心等单位，合作研制的 IPK-120 假肢膝关节，能够根据穿戴者的运动意图调节关节阻尼。

三、智能假肢的核心技术

1、假肢膝关节的结构与调控方式

  智能假肢膝关节从机械结构上主要分为单轴式和多轴式。单轴式具有结构简单、重量轻、易加工组装的优点，而且由于其模型简单，所以在对其进行控制时， 更容易实现下肢在摆动期时的膝关节角度与力矩调节。然而单轴结构在支撑期时具有稳定性不足的缺陷，需要采取承重自锁的方式，防止打软腿造成的站立不稳。德国 Otto Bock 公司的 C-LEG、日本 Nabco 的 N1-C3 系列、我国精博的 4S-2 等均属于此类结构。与人体健肢膝关节的多轴特性相比，单轴式膝关节的运动必然存在与健肢不相称的问题。此外，从站立状态转换到坐下或下蹲状态时，需要做出解锁动作，给假肢穿戴者的生活带来一定的不便，因此，目前的智能假肢通常采取多轴结构。多轴结构也称为多连杆结构，例如日本 Nabco 的 N1-C4 系列采用四连杆结构、 我国德林的雅德力二代采用五连杆结构、冰岛 Ossur 的 Total Knee 采用六连杆结构。此类关节在运动中的转动瞬心位置是随着连杆伸展而变化的，能在摆动过程中较好地模拟人体膝关节的转动模式，并且在支撑期有可靠的稳定性。

    因此虽然其具有结构复杂、加工装配难度大、能量效率比低等方面的不足，但是仍然是目前各类智能假肢膝关节所采取的主要结构，尤其是其中结构相对简单的四连杆结构，目前被广泛采用。从关节调控方式上，假肢膝关节分为全被动型、 半主动型和动力型。根据假肢穿戴者的步速意图和行走路况等对关节进行相应模式的控制，是假肢智能化的主要特点之一。传统的被动型假肢以支撑作用为主，摆动期只能在残肢带动下僵硬摆动，由于不具备调控能力，所以不具备实现智能化的基础条件。

    半主动型（也被称为主被动混合型）假肢膝关节虽然不能提供助力，但是可以通过改变关节内部气缸或者液压缸阀门的开度，来调节阻尼进而改变膝关节的摆动速度，例如英国 Endolite 的液压气压混合式 Adaptive knee、德国 Otto Bock 的液压式 C-LEG、我国精博的 气压式 JB-501 等。此外，还有磁流变阻尼调节式的， 这类假肢关节通过电流调节磁场强度，使假肢关节内的磁流变液的黏度随磁场强度变化而改变，进而控制关节摆动的阻尼，实现调速，例如冰岛 Ossur 的 Rheo Knee 等。动力型假肢必然是未来智能假肢的发展方向，目前美国 MIT、范德堡大学和我国的河北工业大 学等多家高校或科研机构均设计了不同性能的相关样机，但实现市场化的只有 Ossur 的 Power Knee 和 Otto Bock 的 Genium X3 两种。

以GeniumX3为例：

这种动力型假肢膝关节可以实现交替上楼梯、跑步、跨越障碍、变速行走、向后行走、游泳等多种动作，并可在复杂地形中使用。由于动力型膝关节中涉及到安全性、能量效率、可靠性等核心“卡脖子”技术，其研发成本和制作及维护费用昂贵，所以在我国的应用并不普遍。从驱动方式上分类，目前的各种动力型假肢膝关节均为电机驱动，其速度和力矩的控制技术均相对成熟，因此应用相对方便，其不足之处在于电机及配套电池、伺服和减速器单元等重量大、输出力矩小、关节柔性不可调、能量效率有待提高，而且假肢关节的电机旋转模式与健肢关节的肌肉带动模式之间存在本质的差异，必然造成假肢穿戴者下肢运动过程中的不对称问题。人工肌肉是近年来发展的一类新型驱动材料，可在光、电、热、磁、压力等条件下产生可逆的收缩、转动、弯曲等形式的运动，由于其在驱动和控制方式、输出力矩、伸缩幅度、能量效率等方面的研究尚处于发展初期，所以在假肢和康复领域的应用仍在探索阶段，但其潜在的应用前景非常广阔。

2、智能假肢的运动意图识别

智能假肢穿戴者运动意图的准确识别，是实现人—机协调控制的基础，也是假肢智能化的重要表现之一。智能假肢穿戴者运动意图的识别包括运动种类识别、行走路况识别、步速识别、步幅识别、行走相位识别等内容。运动种类识别涉及站立、行走、坐下、下蹲等下肢运动模式及各种模式间的转换；行走路况：则通常包括平地、上下楼梯和上下坡几种；步速识别：通常划分为模糊的快速、中速、慢速等几个类别，在某些文献中用步频来表示；步幅：指的跨步距离的大小；行走相位：通常划分为支撑期和摆动期，支撑期又可根据前脚掌和后脚跟触地情况，进一步划分为后脚跟触地开始的支撑前期、全足触地后的支撑中期，后脚跟离 地至前脚掌离地前的支撑末期，而摆动期则根据抬腿和落腿，进一步划分为摆动前期和后期。智能假肢系统需要根据穿戴者身体上各种的传感器，如肌电、脑电、加速度、角加速度、陀螺仪、 足底压力等传感器，通过对多源信息的传感器融合分析，识别穿戴者的运动意图。虽然生物学信号是获取运动意图的最可靠方式， 但是受限于神经/机电系统之间信息交互上的技术瓶颈，以及成本、安全性等因素，在现阶段的可行性是难以保证的。与健康人使用的外骨骼、脑卒中患者所使用的康复辅具不同，通过表面肌电信号识别运动意图时，由于不同截肢者肌肉残留状况和萎缩程度上的差异，所以其信号参数不具备通用性。此外，在使用过程中还有因电极滑移松动、出汗、表面肌电信号微弱易受干扰等导致的信号失准问题。因此基于人体生物学信号的运动意图识别目前仍停留在实验室研究范围上，其进入市场化前，仍需要解决诸多的技术问题。从市场化应用角度出发，基于惯性传感器、足底压力传感器等力学信号的运动意图识别更具通用性， 目前所有的智能假肢产品均采取此种方式判断人体下肢运动意图。从技术装备角度，需要继续研究可穿戴的低功耗、无触感、轻微型，甚至隐形的人体运动信息传感器；

从理论方法角度，需要探索智能化的信息分析算法，通过对人体多源运动信息的融合处理，并有效滤除因人体行走振动、外界干扰等因素的影响，实现对运动意图的快速和准确识别；从未来长远的医工结合与学科交叉角度，在神经机器接口技术获得突破后，能够通过对人体神经信息的解码获取截肢者的运动意图，实现人对假肢关节等外部机器的直接控制，将是最具智能化的方式。

3、智能假肢的驱动控制

智能假肢的控制系统通常分为三个层次，最高的感知层对人体的运动意图进行识别和解码，中间的转换层把运动意图转换为相应的控制算法，最下的执行层根据相应的控制参数驱动关节电机实现闭环控制。感知层：相当于智能假肢控制的输入环节，属于假肢穿戴者运动意图识别问题；执行层：则相当于智能假肢控制的输出环节，属于具体的机电装置驱动问题；中间的转换层：是假肢膝关节控制的核心问题，即如何保证假肢在不同步速、路况、步态相位的情况，实现人机间的协调控制。目前执行层所采取的主要控制方法包括有限状态机、无模型动态矩阵、迭代学习控制、摆动期阻抗控制和基于规则的方法等。智能假肢膝关节的建模是对其进行控制系统设计和仿真验证的基础，常用的建模方法分为两种，一类为基于假肢机构模型基础建立数学模型，另一类为基于肌肉机构力学模型。第一类方法将下肢各关节运动描述为直接的旋转驱动方式，第二类方法将下肢关节运动描述为肌肉收缩带动的运动。

目前的智能假肢控制策略多以无模型的控制方法为主，例如专家系统、无模型动态矩阵方法、无模型自适应动态规划等方法，或者采取更简单实用的方式，例如基于行为策略的有限状态机方法，即将假肢膝关节的控制简化为正向旋转、反向旋转和停止等几个简单动作，通过传感器信号实现各个行为之间的触发转换控制。目前的智能假肢控制策略主要针对平地、上下坡和上下楼梯等常规地形的行走控制，对于假肢穿戴者出现因异常而发生跌倒危险的保护控制问题，由于智能假肢的控制器不能与人的神经系统之间直接进行信息交互，所以在控制中会难免出现不协调甚至发生危险的情况，对于具备自主运动功能的动力型假肢而言，这一问题显得尤为重要。

4、智能假肢的人机协调控制

  人体的下肢运动控制是一个双向过程，不仅需要通过神经控制骨骼肌带动肢体运动，还需要通过视觉、触觉和力觉等感知器官获得反馈信息。

然而假肢只是补偿了其运动能力，无法补偿人体所需的感知反馈，比如足底离地或触地的状态和地面反作用力等， 也就无法感知并克服不平坦地面、异物硌绊、路面粘滑等外部扰动，进而无法实现躯体、残肢髋关节与假肢膝关节之间的协调控制。同样，智能假肢的控制器也只能通过间接的方式判断穿戴者的运动意图，判断过程的延迟和误识别问题，同样会影响假肢关节的准确控制。此外，智能假肢在正常行走时，应以配合残肢髋关节和健肢的协调运动为控制目标，而当出现因为硌、绊、滑等引起跌倒的危险情况发生时，则需要迅速从“配合”模式切换到“保护”模式，同时应使假肢穿戴者感知到危险并与假肢关节通过整体“条件 反射式”的协同动作，恢复平衡或者保证最小的伤害程度。

  因此，为了让截肢者像控制自己的健肢一样控制假肢运动，必须建立必要的人—机交互通道和人在环内的控制系统结构，才能实现“假肢膝关节控制 器”与“人脑”两个控制器之间的协调动作。人体残肢的感知反馈分为侵入式和非侵入式两大类。侵入式感知：需要将电极植入截肢者人体， 并通过微电流产生特定感觉神经，使截肢者产生近似真实的感觉，但这种方式也存在一定的危险性和不确定性，涉及复杂的科学伦理问题，目前尚处于实验室研究阶段。非侵入式人体感知：主要分为残肢触觉感知、功能电刺激，以及听觉等几种方式。基于触觉感知的方式是将假肢的运动信息进行编码，然后利用假肢接受腔内壁安装的触觉刺激装置对残肢皮肤产生相应的刺激序列，经过一段时间的训练使截肢者形成对不同刺激序列与假肢运动反馈之间的条件反射， 并通过感知不同的刺激方式了解假肢的运动状态。功能电刺激则是通过对残肢皮肤表面施加一定强度的低频脉冲电流，刺激皮下肌肉做出相应的动作，是一种建立假肢—人反馈通道的有效手段。振动触觉刺激通过不同的刺激频率、振动幅值、持续时间、刺激位置和刺激模式等刺激参数的改变，使截肢者在经过训练后可以在不同的刺激模式与反馈信息之间建立一一对应的关系，理解其所传达的反馈信息，建立由假肢到 人的信息反馈通道，不仅能实现正常行走、站立等常规动作的人机协调控制，对发生绊、滑等异常的安全保护具有更重要的作用。非侵入式人体感知反馈还有听觉辅助方式，可以将足部的特定状态通过不同的声音信号传递给假肢穿戴者，此类装置的使用难度相对触觉类反馈相对较低，但其在使用过程中不断发出的声响难以得到使用者心理上的接受，而且还会影响到日常的语言交流，在满足日常使用要求方面的满意度较差，但在假肢足部突发绊、滑等不稳危险时， 可以通过特定的声音信号为假肢穿戴者提供预警。