52、下肢主动假肢系统：技术与控制策略解析

下肢主动假肢系统：技术与控制策略解析

1. 电动执行器

电动马达是主动假肢设备中最常见的执行器，尤其适用于自主设备。不过，要产生人类关节在步态中所展现的峰值和平均功率，通常需要更重、更大的马达。而且，大多数电动马达在高速时才能达到峰值功率，这并不总是有利于产生合适的假肢行为。

高减速比的传动装置可以解决这一问题，但在系统未通电时会引入高阻抗。而包含弹簧或离合器的更复杂传动装置，虽能改善扭矩控制或实现能量捕获与回馈，但会增加质量和尺寸。

部分膝关节假肢采用滚珠丝杠系统将旋转运动转化为直线运动。例如，有一种装置在慢走时能展现出与生物膝关节相当的功率曲线，即便通过线缆连接，一个小电池组也能为 85 公斤的使用者提供长达 5 公里的行走动力。另一个自主膝关节和踝关节装置的膝关节则依赖类似设置，不过滚珠丝杠组件连接到了一个滑块曲柄机构来驱动关节。然而，这些配置虽能产生平地行走所需的功率输出，但无法利用腿部的被动动力学或其他能量存储与回馈机制，导致相当大的功率消耗。目前唯一商业化的动力膝关节装置，Ossur Power Knee，也是采用类似的驱动方式。

在传动系统中增加被动顺应性可带来额外好处。与执行器并联放置的弹簧能降低执行器的扭矩和功率需求，特别是当马达的期望行为类似弹簧且与弹性元件不冲突时。例如，关节的滚珠丝杠机构并联一个机械弹簧，可补充马达扭矩并减少执行器的能量消耗。而与执行器串联放置的弹簧有助于调节和维持关节扭矩，并防止因冲击（如脚跟落地时）造成的损坏，但这会使关节角度和速度的控制变得更困难。一系列设备采用了这种串联弹性执行器（SEA）方法来提高性能。如一个自主膝关节装置使用两个对抗放置的 SEA 来模拟生物膝关节的弹性和阻尼特性。唯一商业化的能提供主动动力的