18、上肢截肢者可穿戴机电设备技术解析

上肢截肢者可穿戴机电设备技术解析

1. 电动假肢的优势与成本问题

电动假肢在舒适性、美学和功能参数方面能实现令人满意的组合，相比身体动力假肢具有明显优势。然而，外部动力假肢成本高昂，价格在 25,000 美元至 75,000 美元之间，是身体动力假肢的 7.5 倍。为降低硬件成本和原型制作时间，研发出了由肌电图（肌电假肢）控制、有时由个人语音或脑电图（EEG）控制的 3D 打印电动假肢。

2. 肌电假肢的发展历程

在外部动力假肢发展之前，设备仅通过按钮或开关以开环控制方式进行操作。肌电假肢的出现改变了这一局面，它属于电动主动假肢范畴，能够读取肌肉自主运动的肌电图（EMG）活动。该技术由 Reiter 在 1944 - 1948 年期间开发，但当时使用真空管制作的肌电假肢尺寸巨大，未获得临床或商业认可。直到 20 世纪 60 年代末，随着晶体管及其作为放大器的应用，研究人员重新发明了这项技术。

肌电上肢可穿戴设备由多个元素组成，包括用于 EMG 检测的电极、信号处理器和控制器，以及用于假肢运动的执行器，旨在检测用户意图并模拟自然人类运动。现代假肢手采用位于皮肤表面的表面电极来获取肌电信号，因其无创技术更易操作而受到青睐。在传统肌电假肢中，两个双极 EMG 信号放置在拮抗肌肉群上，如腕伸肌和屈肌，用于控制一个自由度的速度。此外，还存在使用可植入肌电传感器收集肌肉内信号的技术，以及一种名为靶向肌肉再支配的外科手术，通过将神经重新支配到新的表面肌肉群，使表面电极能够获取和记录用户的运动意图。

2.1 EMG 控制策略

为通过获取 EMG 信号控制上肢假肢，有七种已知的控制方案：
1. ON -