当前高端假肢技术的瓶颈在哪里?

作者: 孙小军(智能假肢研发人员)   

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简单来说,首先要设计出和人的腿和手一样大小的硬件是一个挑战,另外,就是根据人的意图实现控制,能与环境互动是另外一个挑战。

从传动的被动式假肢,即没有任何动力源,完全要用户自己去驱动假肢,到目前现在上肢或下肢都引入了电机等各种动力源,根据人的运动和环境的互动来控制电机实现辅助功能。在各种环境中,如何根据环境变化让假肢实现各种运动。但这也目前的遇到的最大瓶颈。其实这也不是假肢的问题,也是机器人遇到的瓶颈,如何适应环境互动,如何与人协调等等。

硬件问题

智能假肢的大小和重量,如果很大很重根本无法,反而不如被动式假肢。换句话理解也就是能源效率问题。由于有动力还有各种传感器和电路,需要电池供能,特别是上下楼和各种行走中,电机得不停工作。所以需要的电池容量大,本身动力假肢的零件就很多,加上很大容量的电池,最终假肢很重,很大,反而笨重不好用。这也是机器人遇到的问题,所以目前人形机器人要么工作时间的短,要么背一个很大的电池。但叫用户去背一个电池,不太现实吧。现在的被动式假肢,没有动力源和电机同样能走,这张假肢的原理是运用重力和人行走的能量。所以要设计出能源高效的硬件,必须要灵活运用被动式假肢的原理,利用行走的能量,电机只是在上下楼需要大能量时给了辅助。另外,上肢同样遇到的硬件问题,要设计出和手一大小尺寸,并且实现人这么多关机的活动的硬件本是一个很大的挑战。

控制问题

关于下肢,正常腿的走路速度在不停变化,假肢的速度也需要不停控制速度自我调整。另外,平路,上下坡,上下楼时,关节所需要的转矩和能量是不同的,也就是说控制模式不一样。如何在各种环境中如何让假肢自动切换各种控制模式。比如平路上走着,平路控制模式,遇到上坡了,假肢怎么知道上坡,怎么切换到上坡模式等。我今年试用过Rehabilitation Institute of Chicago开发的智能假肢,他们是工程师手动切换控制模式。可能的方案是人给予一个信号,比如脚踏地来表达控制模式切换。另外用手机切换,但我想用户不用时时拿着手机来控制自己的假肢,太麻烦,研究阶段还行,商用还得改进。

关于上肢,人的手太灵活,要实现人的各种动作,还有很远的路要走。现在主流是运用机电信号EMG来控制硬件。但现在EMG信号较弱,并且噪音大,很难完全根据人的意图来控制手,虽然有各种问题,不过EMG控制手也算是商业化了。下肢也有用EMG来控制,不过完全还处在研究阶段。

即使技术成熟了,价格也是一个很大的挑战。比起汽车,这个行业需求小,从事研究的公司和人员也少,另外量产数量少,即使有做好技术了,价格贵也会是一个非常大的挑战。

补充

目前已经商业化的动力假肢膝关节只有ossur的 power knee。但power knee是在关节处设置电机来驱动器膝关节的运动,所以效率不高。非常重2.7kg,另外很长,不适合亚洲人的身体,所以暂时没有在亚洲销售。但处于研究阶段的就比较多了,比如MIT的Clutchable SEA knee, Vanderbilt 大学的动力型膝关节,还有文中提到的 Rehabilitation Institue of Chicago的膝关节和小腿关节联动的动力型假肢。动力型假肢是可以辅助行走的。不同于Genium, C-leg,Reho Knee 3之类的,这类型的膝关节的电池是用来给电机控制调节的压力大小。当然Reho Knee 3 的原理不一样,是通过电流来控制磁性流体的强弱来调整步行速度的。

发布日期: 2016-11-11   

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