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六连杆假肢膝关节优化设计 |
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张瑞红 金德闻 张济川
摘要 目的：假肢膝关节的设计对于膝上截肢者的安全与步态关系重大。为了改善膝上假肢穿戴者的步态，设计了六连杆假肢膝关节。方法：采用最优化设计使摆动相步态尽可能逼近正常步态；在结构设计上利用瞬停节特性使膝关节在支撑期有自锁功能并具有很强的抗干扰能力。结果：计算机仿真为踝关节运动轨迹均方误差不超过1.96%。结论：该膝关节假肢在支撑期保持稳定性的同时，在摆动期内膝、踝关节运动轨迹，以及大小腿的角度变化关系相对于正常人具有很好的逼近效果，能够有效改善患者步态。
关键词 假肢膝关节；六连杆机构；自锁；优化
Optimization design of six-bar knee prosthesis
ZHANG Ruihong, JIN Dewen, ZHANG Jichuan
Chinese Journal of Rehabilitation Medicine, 1999, 14(4):162～165
Abstract Objective: The constitution of knee prosthesis is very important to safety and gait pattern of above-knee amputees. A six-bar linkage is proposed to knee prosthesis to improve the gait pattern. Method: The self-locking function of the designed knee mechanism provides strong stability in stand phase. The optimization procedure was used in the design of the mechanism to make the gait pattern close to normal in swing phase as much as possible. Result: The mean square error of the prosthetic ankle motion trace is 1.96%. Conclusion: The motion tracks of the prosthetic knee, ankle and the angle between thigh and shank are similar to normal gait in the swing phase. The prosthesis can keep stability in stand phase. It is hopeful to improve the gait pattern by using this mechanism.
Author′s address Dept. of Precision Instruments and Mechanology, Tsinghua University, Beijing, 100084
Key words Prosthetic knee; Six-bar linkage; Self-locking; Optimization
对于假肢膝关节而言，需要使其产生的步态尽可能逼近正常人的步态。人体下肢各关节（髋、膝、踝）都是十分复杂的，它们和相关的肌肉、肌腱相互配合，能够实现人类优美连贯的步行姿态。对于下肢截肢者而言，用一些相对于自然人体简单得多的机构装置作为下肢的替代物，其步态必然会与正常步态不同。截肢者失去的关节数目越多，这种差异也就越大。如仅失去踝关节的小腿截肢者安装假肢后，其步态远比失去膝关节和踝关节的大腿假肢穿戴者的步态好得多。目前，由于小腿假肢比较简单，穿戴后已能很好地逼近正常人的步态。大腿假肢则仍在不断完善之中〔1,2〕。膝关节是人体最大、最复杂的关节，要设计一个能很好替代人体膝关节的机构还是一个很艰巨的任务。
1 假肢膝关节机构类型的确定
人体膝关节由股骨下端、胫骨上端和髌骨构成。股骨的内、外侧踝分别与胫骨的内、外侧踝相对。由于股骨下端和胫骨上端相接触表面形状不规则，在膝关节屈曲或伸展过程中，两表面间既有滚动又有滑动。因而，在人体步行过程中，大、小腿的长度是变化的，膝关节的速度瞬心也是时变的，这些变化是单轴关节假肢无法模拟的。因此，研究多轴膝关节假肢很有意义。
分析步行时下[1] [2] 下一页
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