Nature BME:开源仿生腿的设计与临床试验

2020-10-21 MedSci原创 MedSci原创

数百万下肢截肢患者的生活质量下降。除了个别运动员之外,这些人中的大多数人与健康人相比,走得慢、累得更快、更不稳定。在完整的人体中,腿部肌肉在行走过程中收缩以增加机械能。这使得要求更高的活动,如爬楼梯和

数百万下肢截肢患者的生活质量下降。除了个别运动员之外,这些人中的大多数人与健康人相比,走得慢、累得更快、更不稳定。在完整的人体中,腿部肌肉在行走过程中收缩以增加机械能。这使得要求更高的活动,如爬楼梯和坡道,尤其困难。此外,下肢截肢患者经常对其步态、生物力学和肌肉激活模式进行代偿性修改,从而导致进一步的并发症,如骨关节炎、骨质疏松症和背部疼痛。虽然假体提供了大量的活动性好处,但其生理、心理和社会影响可能会限制许多截肢患者的生活质量。为了促进控制方法的研究和公平比较,降低进行控制研究的障碍并防止重复工作,作者创建了开源Leg(OSL):一个独特的机器人膝关节-踝关节假体系统。

方法:使用了无人机行业的低成本电机;由于无人机电机无法依靠变速器来增加扭矩输出,因此它们产生的扭矩比通常用于假肢的电机多2-10倍。马达增加的转矩密度使能够实现比同类假体低2-5倍的传动比。变速器放大了电机产生的扭矩,变速器通常每级的效率为70–98%。通过一个多步骤的设计过程来设计OSL,包括人体关节生物力学、传输运动学、机电一体化(包括电机的电气和热限制)和结构外壳。总体目标是达到健全的运动学/动力学,同时满足所需的设计原则,最小化假体质量/体积。OSL在临床上进行了测试,以突出其在真实环境中的运动学和动力学能力,演示患者使用OSL行走,并提供生物力学和控制数据。 

结果:OSL能够在所有步行模式下产生早期站立膝关节屈曲和踝关节力量;然而,参与者在使用被动假体的日常步行策略的基础上表现出代偿性运动。作者可以通过训练或通过调整控制器来重建健康个体的运动学和动力学来克服这些代偿运动。在行走过程中,OSL产生所需的关节力矩(基于电机电流);期望电流和实际电流之间的差值在每步0.5 A到2.9 A之间。在水平地面和斜坡行走过程中,OSL实现了伸膝(0.5±0.7°,平均±s.d.)。为了实现摆动间隙,OSL产生了85.6±7.8%的健全膝关节屈曲和14.3±10.1°的自由度。在所有行走方式下,假肢侧垂直地面反作用力峰值为正常人的92.5±17.2%。

展望:下一步的工作包括嵌入式系统的发展、闭环转矩控制SEA的实现以及生物激励阻抗控制策略的开发。

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