多功能上肢假肢的发展与展望

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1、多功能上肢假肢的发展与展望多功能上肢假肢的发展与展望耿艳娟张浩诗武振兴田岚李光林摘要本文对多功能上肢假肢的国内外发展情况进行了概要介绍，并对肌电假肢控制的关键技术发展和技术需求进行了详细地阐述，最后对多功能上肢假肢的发展进行了总结和展望。关键词多功能假肢；肌电信息；模式识别；控制1引言长期以来，战争、疾病、工伤、自然灾害、交方法可以克服传统肌电假肢控制的不足，实现有直通事故及意外伤害已将成千上万肢体残疾患者带给觉、多自由度假肢的仿生控制。传统的肌电假肢(例了我们这个世界。根据2006年第二次全国残疾人抽如，德国OttoBock及我国上海科生等)是利用一对样调

2、查领导小组和国家统计局发布的公告，在目前残留肌肉(主缩肌与拮抗肌)控制一个动作自由度(图我国8296万残疾人当中，肢残人有2412万人，占残1)。肢体截肢后，肌电信息源是有限的，截肢的程度疾人总数的比例最高，达29.07%。这意味着，在我越高，残留的肢体肌肉越少，而需要恢复的肢体动国13亿人口中，大约1.85%的人为肢残人。此外，从作越多。因此，用这种传统的肌电控制方式实现假1987第一次全国残疾人调查到2006的20年期间，肢肢的多自由度控制是非常困难的。为了利用一对肌残人的数量从755万人猛增到2412万人，增幅高达肉控制更多的运动自由度，肌电假肢增加了

3、肢体动219.47%。因此，肢体残疾已经成为我国人口中的重作“模式”切换功能。“模式”的切换是利用同时大残障疾病之一。仅在2008年5月的四川汶川大地震使一对肌肉“收缩(Co-contraction)”或附加开关中，就有2万多人失去了肢体；今年的玉树地震又造来实现的。假设一个3自由度人工上肢的模式切换顺成了许多生还者丧失肢体，为这些截肢患者安装假序为：手部-腕部-肘部，如果当前假肢的“模式”是肢是恢复其肢体功能的主要手段。由于上肢是人类手部动作，而假肢使用者下一步想做肘部的动作，生活和劳动的重要器官，所以上肢截肢给肢体残疾他们需要使一对肌肉同时“收缩”产生肌

4、电，实现者带来的生活及工作的影响非常大。假肢的动作“模式”从手部切换到腕部；再次使这对肌肉同时“收缩”，从而从腕部切换到肘部。然目前，国内外的商业化人工肢体有机械索控假后，假肢使用者可以利用两个EMG电极分别控制肢、肌电假肢和肌电索控混合假肢。传统的机械索假肢的两个不同的肘部动作，例如前臂的抬起与放控假肢是利用假肢使用者的自身力源，通过残留肢下。这样耗费了大量的时间和精力，增加了使用者体的机械动作拉动绳索或链条来操控假肢的肘关节的负担。所以,目前的肌电假肢存在着训练过程漫及手部装置。由于控制方法的固有局限,机械索控假长、动作笨拙、假肢使用者的精神负担大等不足

5、。肢存在着功能单一、操控缓慢、动作笨拙、维护困因此[1]，在拥有肌电假肢的残疾人中，大约不到50%难等问题。的人经常使用他们的假肢。长期以来，为了改善和提高假肢的控制性能，为研制新一代多功能的智能假肢，国内外众多人们利用各种先进的技术方法研发高性能假肢及控学者从神经机器接口技术和机器人仿生控制技术等制系统。随着先进的信号处理技术及高性能微处角度，付出了不懈的努力，并取得了一些可喜的研理器的出现，通过体表肌电(Electromyogram，究成果。本文将沿着这两大方向——神经机器接口EMG)解码实现多功能假肢控制的思想成为可能。该图1传统的肌电假肢控制系统示意

6、图7Vol.4No.11/Nov.2010技术和机器人仿生控制技术发展，对上肢智能假肢出现，通过体表肌电解码实现多功能假肢控制的思[12-20]的发展现状和技术需求作出总结和展望。想成为可能。该方法的理论(神经电生理)基础是[13]运动神经信息可以通过对EMG信号解码得到。当2上肢智能假肢的发展截肢者通过想象，用他们的“幻影(Phantom)”肢(1)神经-机器接口技术的发展体做不同动作时，来自大脑的运动神经信号使残存肌肉收缩产生EMG信号；用体表电极记录EMG信长期以来，人们利用各种先进的技术方法研发号，并用模式识别方法解码，得到截肢者想要做的高性能假肢及

7、控制系统。目前，世界上已有多家假肢体动作类型；根据识别的动作类型操控假肢完成肢与机器人公司开发了多功能的机电一体化人工肢相应的动作。利用这种控制方法，假肢使用者可以体或部件。例如，英国TouchBionics公司的i-LIMB自然而直接的选择和完成他们想要做的各种不同肢[2]手有5个可以独立控制的手指；机器人公司的体动作。因此，该控制方法可以克服传统肌电假肢Shadow手可以做24个不同的动作(图2)；我国东北控制的不足，实现有直觉、多自由度假肢的仿生控[22]大学研制的机械手可以做8个腕部及手部动作及德制。基于肌电解码的多功能假肢控制系统主要由两国Otto

8、Bock和上海科生的人工手等。由于截肢后肌个级联的部