一、智能假肢的概述

智能假肢，又叫神經(jīng)義肢，生物電子裝置，是指醫(yī)生們利用現(xiàn)代生物電子學技術(shù)為患者把人體神經(jīng)系統(tǒng)與照相機、話筒、馬達之類的裝置連接起來以嵌入和聽從大腦指令的方式替代這個人群的軀體部分缺失或損毀的人工裝置。而智能假肢的技術(shù)原理：當筋肉骨骼損毀或喪失，曾經(jīng)控制著它們的大腦區(qū)域及神經(jīng)也會繼續(xù)存活。對許多傷殘者而言，與斷肢對應的腦區(qū)和神經(jīng)都在靜候聯(lián)絡，如同話機被扯掉的電話線。醫(yī)生通過外科手術(shù)，為患者把這些人體構(gòu)造與照相機、話筒、馬達之類的裝置連接起來。他們使用的這些機器被稱作神經(jīng)義肢，或者科學家們越來越喜歡用這個大眾流行的詞語——生物電子裝置。

二、智能假肢的發(fā)展現(xiàn)狀

  智能假肢是解決下肢截肢者行動障礙的重要輔具。傳統(tǒng)的純機械假肢因為不具備感知和自主調(diào)節(jié)功能，所以只能滿足日常生活中相對簡單的最基本的輔助運動功能，其性能難以達到截肢者對高質(zhì)量生活的實際需求。智能假肢由于裝配了微控制器、檢測人體運動狀態(tài)的傳感器及調(diào)節(jié)假肢關節(jié)運動速度的驅(qū)動裝置， 在其微控制器內(nèi)嵌程序的調(diào)控下，可以對假肢的擺動期速度進行調(diào)節(jié)，并且能夠?qū)χ纹诘姆€(wěn)定性進行自動控制。隨著傳感器、微電子等技術(shù)的發(fā)展，各型假肢不斷升級優(yōu)化。從 Ossur 公司的 Rheo Knee 和 Power Knee 智能仿生膝關節(jié)，到 Otto Bock 公司的 C-Leg、 Genium 和 Genium X3 智能仿生腿，以及各高?？蒲袌F隊研發(fā)的樣機等，在假肢穿戴者運動狀態(tài)識別、人機協(xié)調(diào)性、助力性能、能量效率等方面表現(xiàn)出了良好性能。          20 世紀中期，一些發(fā)達國家推出了多種現(xiàn)代假肢膝關節(jié)，例如德國 Otto Bock 公司的機械假肢，可根據(jù)不同截肢者的行走特點，手動調(diào)節(jié)阻尼針閥開度，找到適合不同假肢穿戴者的阻尼值。

         20 世紀 90 年代，多種融合了自控技術(shù)的初級智能假肢陸續(xù)面市，例如英國布萊切福特公司的 IP+、日 本 Nabco 公司的 NI-CIII、德國 Otto Bock 公司的 Genium、冰島 Ossur 公司的 Rheo Knee、英 國 Endolite 公司的 Elan 等。

       2006 年，德國 Otto Bock 公司推出 了 C-LEG 系列產(chǎn)品，能夠利用角度、力矩等傳感器判斷穿戴者的運動意圖，實現(xiàn)自主調(diào)節(jié)控制       2009 年，冰島 Ossur 公司推出了帶有致動器的 Power Knee， 其后又推出了配備有更強力致動器和新型運動傳感器的 Symbionic Leg3 假肢，能使假肢穿戴者獲得更為自然順暢的步態(tài)。

      2012 年，德國 Otto Bock 公司在原 有 C-LEG 系列假肢產(chǎn)品的基礎上，又新推出了功能更強的 Genium 系列動力型智能假肢，具有更強的感知性能，能實現(xiàn)雙下肢交替下樓梯運動，而且不同運動模式間可任意切換。      2015 年，升級的 Genium X3 又增加了跑動、跨障、游泳等功能，極大地豐富了假肢穿戴者的生活。

      2018 年，Ossur 公司推出了 XC 仿生磁控膝關節(jié)，對傳感器進行了升級，使假肢控制的穩(wěn)定性和穿戴者的活動能力均得到了提升。

  在我國，各種假肢產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，臺灣德林公司 2014 年推出了四連桿膝關節(jié)的 VOne 智能電子義肢（中國臺灣地區(qū)習慣稱假肢為義肢），2020 年又新研發(fā)了五連桿膝關節(jié)的雅德力二代仿生腿， 分別通過所配備的 3D 重力傳感器或三軸加速度傳感器，判斷假肢穿戴者的行走路況和意圖，調(diào)整關節(jié)阻力。北京精博公司在傳統(tǒng)機械式 4S 單軸承重自鎖和四連桿膝關節(jié)的基礎上，研制了 JB-501 和 601 等型號的步速跟隨氣壓膝關節(jié)。國家康復輔具中心及河北工業(yè)大學智能康復裝置與檢測技術(shù)教育部工程研究中心等單位，合作研制的 IPK-120 假肢膝關節(jié)，能夠根據(jù)穿戴者的運動意圖調(diào)節(jié)關節(jié)阻尼。

三、智能假肢的核心技術(shù)

1、假肢膝關節(jié)的結(jié)構(gòu)與調(diào)控方式

  智能假肢膝關節(jié)從機械結(jié)構(gòu)上主要分為單軸式和多軸式。單軸式具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、易加工組裝的優(yōu)點，而且由于其模型簡單，所以在對其進行控制時， 更容易實現(xiàn)下肢在擺動期時的膝關節(jié)角度與力矩調(diào)節(jié)。然而單軸結(jié)構(gòu)在支撐期時具有穩(wěn)定性不足的缺陷，需要采取承重自鎖的方式，防止打軟腿造成的站立不穩(wěn)。德國 Otto Bock 公司的 C-LEG、日本 Nabco 的 N1-C3 系列、我國精博的 4S-2 等均屬于此類結(jié)構(gòu)。與人體健肢膝關節(jié)的多軸特性相比，單軸式膝關節(jié)的運動必然存在與健肢不相稱的問題。此外，從站立狀態(tài)轉(zhuǎn)換到坐下或下蹲狀態(tài)時，需要做出解鎖動作，給假肢穿戴者的生活帶來一定的不便，因此，目前的智能假肢通常采取多軸結(jié)構(gòu)。多軸結(jié)構(gòu)也稱為多連桿結(jié)構(gòu)，例如日本 Nabco 的 N1-C4 系列采用四連桿結(jié)構(gòu)、 我國德林的雅德力二代采用五連桿結(jié)構(gòu)、冰島 Ossur 的 Total Knee 采用六連桿結(jié)構(gòu)。此類關節(jié)在運動中的轉(zhuǎn)動瞬心位置是隨著連桿伸展而變化的，能在擺動過程中較好地模擬人體膝關節(jié)的轉(zhuǎn)動模式，并且在支撐期有可靠的穩(wěn)定性。

    因此雖然其具有結(jié)構(gòu)復雜、加工裝配難度大、能量效率比低等方面的不足，但是仍然是目前各類智能假肢膝關節(jié)所采取的主要結(jié)構(gòu)，尤其是其中結(jié)構(gòu)相對簡單的四連桿結(jié)構(gòu)，目前被廣泛采用。從關節(jié)調(diào)控方式上，假肢膝關節(jié)分為全被動型、 半主動型和動力型。根據(jù)假肢穿戴者的步速意圖和行走路況等對關節(jié)進行相應模式的控制，是假肢智能化的主要特點之一。傳統(tǒng)的被動型假肢以支撐作用為主，擺動期只能在殘肢帶動下僵硬擺動，由于不具備調(diào)控能力，所以不具備實現(xiàn)智能化的基礎條件。

    半主動型（也被稱為主被動混合型）假肢膝關節(jié)雖然不能提供助力，但是可以通過改變關節(jié)內(nèi)部氣缸或者液壓缸閥門的開度，來調(diào)節(jié)阻尼進而改變膝關節(jié)的擺動速度，例如英國 Endolite 的液壓氣壓混合式 Adaptive knee、德國 Otto Bock 的液壓式 C-LEG、我國精博的 氣壓式 JB-501 等。此外，還有磁流變阻尼調(diào)節(jié)式的， 這類假肢關節(jié)通過電流調(diào)節(jié)磁場強度，使假肢關節(jié)內(nèi)的磁流變液的黏度隨磁場強度變化而改變，進而控制關節(jié)擺動的阻尼，實現(xiàn)調(diào)速，例如冰島 Ossur 的 Rheo Knee 等。動力型假肢必然是未來智能假肢的發(fā)展方向，目前美國 MIT、范德堡大學和我國的河北工業(yè)大 學等多家高?；蚩蒲袡C構(gòu)均設計了不同性能的相關樣機，但實現(xiàn)市場化的只有 Ossur 的 Power Knee 和 Otto Bock 的 Genium X3 兩種。

以GeniumX3為例：

這種動力型假肢膝關節(jié)可以實現(xiàn)交替上樓梯、跑步、跨越障礙、變速行走、向后行走、游泳等多種動作，并可在復雜地形中使用。由于動力型膝關節(jié)中涉及到安全性、能量效率、可靠性等核心“卡脖子”技術(shù)，其研發(fā)成本和制作及維護費用昂貴，所以在我國的應用并不普遍。從驅(qū)動方式上分類，目前的各種動力型假肢膝關節(jié)均為電機驅(qū)動，其速度和力矩的控制技術(shù)均相對成熟，因此應用相對方便，其不足之處在于電機及配套電池、伺服和減速器單元等重量大、輸出力矩小、關節(jié)柔性不可調(diào)、能量效率有待提高，而且假肢關節(jié)的電機旋轉(zhuǎn)模式與健肢關節(jié)的肌肉帶動模式之間存在本質(zhì)的差異，必然造成假肢穿戴者下肢運動過程中的不對稱問題。人工肌肉是近年來發(fā)展的一類新型驅(qū)動材料，可在光、電、熱、磁、壓力等條件下產(chǎn)生可逆的收縮、轉(zhuǎn)動、彎曲等形式的運動，由于其在驅(qū)動和控制方式、輸出力矩、伸縮幅度、能量效率等方面的研究尚處于發(fā)展初期，所以在假肢和康復領域的應用仍在探索階段，但其潛在的應用前景非常廣闊。

2、智能假肢的運動意圖識別

智能假肢穿戴者運動意圖的準確識別，是實現(xiàn)人—機協(xié)調(diào)控制的基礎，也是假肢智能化的重要表現(xiàn)之一。智能假肢穿戴者運動意圖的識別包括運動種類識別、行走路況識別、步速識別、步幅識別、行走相位識別等內(nèi)容。運動種類識別涉及站立、行走、坐下、下蹲等下肢運動模式及各種模式間的轉(zhuǎn)換；行走路況：則通常包括平地、上下樓梯和上下坡幾種；步速識別：通常劃分為模糊的快速、中速、慢速等幾個類別，在某些文獻中用步頻來表示；步幅：指的跨步距離的大小；行走相位：通常劃分為支撐期和擺動期，支撐期又可根據(jù)前腳掌和后腳跟觸地情況，進一步劃分為后腳跟觸地開始的支撐前期、全足觸地后的支撐中期，后腳跟離 地至前腳掌離地前的支撐末期，而擺動期則根據(jù)抬腿和落腿，進一步劃分為擺動前期和后期。智能假肢系統(tǒng)需要根據(jù)穿戴者身體上各種的傳感器，如肌電、腦電、加速度、角加速度、陀螺儀、 足底壓力等傳感器，通過對多源信息的傳感器融合分析，識別穿戴者的運動意圖。雖然生物學信號是獲取運動意圖的最可靠方式， 但是受限于神經(jīng)/機電系統(tǒng)之間信息交互上的技術(shù)瓶頸，以及成本、安全性等因素，在現(xiàn)階段的可行性是難以保證的。與健康人使用的外骨骼、腦卒中患者所使用的康復輔具不同，通過表面肌電信號識別運動意圖時，由于不同截肢者肌肉殘留狀況和萎縮程度上的差異，所以其信號參數(shù)不具備通用性。此外，在使用過程中還有因電極滑移松動、出汗、表面肌電信號微弱易受干擾等導致的信號失準問題。因此基于人體生物學信號的運動意圖識別目前仍停留在實驗室研究范圍上，其進入市場化前，仍需要解決諸多的技術(shù)問題。從市場化應用角度出發(fā)，基于慣性傳感器、足底壓力傳感器等力學信號的運動意圖識別更具通用性， 目前所有的智能假肢產(chǎn)品均采取此種方式判斷人體下肢運動意圖。從技術(shù)裝備角度，需要繼續(xù)研究可穿戴的低功耗、無觸感、輕微型，甚至隱形的人體運動信息傳感器；

從理論方法角度，需要探索智能化的信息分析算法，通過對人體多源運動信息的融合處理，并有效濾除因人體行走振動、外界干擾等因素的影響，實現(xiàn)對運動意圖的快速和準確識別；從未來長遠的醫(yī)工結(jié)合與學科交叉角度，在神經(jīng)機器接口技術(shù)獲得突破后，能夠通過對人體神經(jīng)信息的解碼獲取截肢者的運動意圖，實現(xiàn)人對假肢關節(jié)等外部機器的直接控制，將是最具智能化的方式。

3、智能假肢的驅(qū)動控制

智能假肢的控制系統(tǒng)通常分為三個層次，最高的感知層對人體的運動意圖進行識別和解碼，中間的轉(zhuǎn)換層把運動意圖轉(zhuǎn)換為相應的控制算法，最下的執(zhí)行層根據(jù)相應的控制參數(shù)驅(qū)動關節(jié)電機實現(xiàn)閉環(huán)控制。感知層：相當于智能假肢控制的輸入環(huán)節(jié)，屬于假肢穿戴者運動意圖識別問題；執(zhí)行層：則相當于智能假肢控制的輸出環(huán)節(jié)，屬于具體的機電裝置驅(qū)動問題；中間的轉(zhuǎn)換層：是假肢膝關節(jié)控制的核心問題，即如何保證假肢在不同步速、路況、步態(tài)相位的情況，實現(xiàn)人機間的協(xié)調(diào)控制。目前執(zhí)行層所采取的主要控制方法包括有限狀態(tài)機、無模型動態(tài)矩陣、迭代學習控制、擺動期阻抗控制和基于規(guī)則的方法等。智能假肢膝關節(jié)的建模是對其進行控制系統(tǒng)設計和仿真驗證的基礎，常用的建模方法分為兩種，一類為基于假肢機構(gòu)模型基礎建立數(shù)學模型，另一類為基于肌肉機構(gòu)力學模型。第一類方法將下肢各關節(jié)運動描述為直接的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動方式，第二類方法將下肢關節(jié)運動描述為肌肉收縮帶動的運動。

目前的智能假肢控制策略多以無模型的控制方法為主，例如專家系統(tǒng)、無模型動態(tài)矩陣方法、無模型自適應動態(tài)規(guī)劃等方法，或者采取更簡單實用的方式，例如基于行為策略的有限狀態(tài)機方法，即將假肢膝關節(jié)的控制簡化為正向旋轉(zhuǎn)、反向旋轉(zhuǎn)和停止等幾個簡單動作，通過傳感器信號實現(xiàn)各個行為之間的觸發(fā)轉(zhuǎn)換控制。目前的智能假肢控制策略主要針對平地、上下坡和上下樓梯等常規(guī)地形的行走控制，對于假肢穿戴者出現(xiàn)因異常而發(fā)生跌倒危險的保護控制問題，由于智能假肢的控制器不能與人的神經(jīng)系統(tǒng)之間直接進行信息交互，所以在控制中會難免出現(xiàn)不協(xié)調(diào)甚至發(fā)生危險的情況，對于具備自主運動功能的動力型假肢而言，這一問題顯得尤為重要。

4、智能假肢的人機協(xié)調(diào)控制

  人體的下肢運動控制是一個雙向過程，不僅需要通過神經(jīng)控制骨骼肌帶動肢體運動，還需要通過視覺、觸覺和力覺等感知器官獲得反饋信息。

然而假肢只是補償了其運動能力，無法補償人體所需的感知反饋，比如足底離地或觸地的狀態(tài)和地面反作用力等， 也就無法感知并克服不平坦地面、異物硌絆、路面粘滑等外部擾動，進而無法實現(xiàn)軀體、殘肢髖關節(jié)與假肢膝關節(jié)之間的協(xié)調(diào)控制。同樣，智能假肢的控制器也只能通過間接的方式判斷穿戴者的運動意圖，判斷過程的延遲和誤識別問題，同樣會影響假肢關節(jié)的準確控制。此外，智能假肢在正常行走時，應以配合殘肢髖關節(jié)和健肢的協(xié)調(diào)運動為控制目標，而當出現(xiàn)因為硌、絆、滑等引起跌倒的危險情況發(fā)生時，則需要迅速從“配合”模式切換到“保護”模式，同時應使假肢穿戴者感知到危險并與假肢關節(jié)通過整體“條件 反射式”的協(xié)同動作，恢復平衡或者保證最小的傷害程度。

  因此，為了讓截肢者像控制自己的健肢一樣控制假肢運動，必須建立必要的人—機交互通道和人在環(huán)內(nèi)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，才能實現(xiàn)“假肢膝關節(jié)控制 器”與“人腦”兩個控制器之間的協(xié)調(diào)動作。人體殘肢的感知反饋分為侵入式和非侵入式兩大類。侵入式感知：需要將電極植入截肢者人體， 并通過微電流產(chǎn)生特定感覺神經(jīng)，使截肢者產(chǎn)生近似真實的感覺，但這種方式也存在一定的危險性和不確定性，涉及復雜的科學倫理問題，目前尚處于實驗室研究階段。非侵入式人體感知：主要分為殘肢觸覺感知、功能電刺激，以及聽覺等幾種方式?；谟|覺感知的方式是將假肢的運動信息進行編碼，然后利用假肢接受腔內(nèi)壁安裝的觸覺刺激裝置對殘肢皮膚產(chǎn)生相應的刺激序列，經(jīng)過一段時間的訓練使截肢者形成對不同刺激序列與假肢運動反饋之間的條件反射， 并通過感知不同的刺激方式了解假肢的運動狀態(tài)。功能電刺激則是通過對殘肢皮膚表面施加一定強度的低頻脈沖電流，刺激皮下肌肉做出相應的動作，是一種建立假肢—人反饋通道的有效手段。振動觸覺刺激通過不同的刺激頻率、振動幅值、持續(xù)時間、刺激位置和刺激模式等刺激參數(shù)的改變，使截肢者在經(jīng)過訓練后可以在不同的刺激模式與反饋信息之間建立一一對應的關系，理解其所傳達的反饋信息，建立由假肢到 人的信息反饋通道，不僅能實現(xiàn)正常行走、站立等常規(guī)動作的人機協(xié)調(diào)控制，對發(fā)生絆、滑等異常的安全保護具有更重要的作用。非侵入式人體感知反饋還有聽覺輔助方式，可以將足部的特定狀態(tài)通過不同的聲音信號傳遞給假肢穿戴者，此類裝置的使用難度相對觸覺類反饋相對較低，但其在使用過程中不斷發(fā)出的聲響難以得到使用者心理上的接受，而且還會影響到日常的語言交流，在滿足日常使用要求方面的滿意度較差，但在假肢足部突發(fā)絆、滑等不穩(wěn)危險時， 可以通過特定的聲音信號為假肢穿戴者提供預警。