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第一节 背景协调的踝关节推进是有效人类行走的关键因素。踝关节足底屈肌在推出期间（第4阶段，50-60％步幅）对质心进行了大部分机械功（图1）。人类步态的效率尤其受推出和碰撞冲击地面反作用力的时间影响[1]。例如，在中风之后，由踝足底屈肌传递的推进脉冲通常是高度不对称的。推出不对称导致行走速度慢和代谢能量消耗增加[3] - [4] [5]。由于踝足底屈肌在塑造正常的力学和行走能量方面的重要作用，因此必须通过专注于辅助踝关节推进来研究改善步态障碍的方法。  图1。 便携式可穿戴机器人装置在肌肉骨骼或神经损伤的人群中恢复踝关节功能具有相当大的前景。一般来说，目前的设备分为两个不同的类别（1）全功率[6] - [7] [8] [9]和（2）纯粹被动[10]。全功率设备采用高增益力控制下的电机，可以在整个步态周期内模拟下肢关节的正常扭矩输出。这种方法的一些主要缺点是强大的电动机很重，需要笨重的齿轮和安装框架，并且依赖于必须由用户佩戴的有限电源。这种附加质量的结果是在使用便携式动力装置辅助运动期间行走经济性（即没有代谢节省）显着降低。 纯粹的被动装置（例如动态踝足矫形器（DAFO））可以在刚性的非铰接框架中存储和释放弹性能量，以在没有马达辅助的情况下帮助行走。DAFO的主要优点是重量轻，成本低且易于维护。此外，最近的研究表明，DAFOs可以导致中风后步行速度和经济性的小幅增加[11] - [12] [13]。 目前的DAFO设计有两个关键的缺点。首先，刚性的非铰接DAFO限制了完整的踝关节活动范围，仅允许在矢状平面内进行有限的旋转。其次，也许更关键的当前DAFO不允许在挥杆过程中自由踝关节旋转，因此难以背屈以准备足跟击打。在挥杆过程中无法自由背屈可能会造成严重的代谢损失。 来自纯无源和全功率可穿戴脚踝设备的关键部件可以采用“混合”方式组合，提供优化的移动辅助。例如，通过主动控制踝外骨骼的被动弹性特性，应该可以在行走期间以最小的致动产生踝关节的正常扭矩输出。这个概念类似于在行走期间在人类脚踝中观察到的弹性“弹射器”机制[2]，[14]。在这种情况下，跖屈肌（比目鱼肌，腓肠肌）在站立期间几乎等长地被激活，为跟腱伸展提供刚性附着（图2））。这种“肌肉驱动的闩锁”允许在单肢支撑期间使踝关节上方的质心自然旋转（即倒立摆运动），以便在拉伸执行负面工作时将能量传递到跟腱（见图1），阶段2-3）。然后，在终端站立时，存储的跟腱中的应变能量迅速返回到身体，从而推动（图1，第4阶段）[1]，[2]。在摇摆阶段，足底屈肌放松，并且踝关节背屈可以重新定位足部脚跟，而不会受到拮抗剂的抵抗。 有证据表明，人类步行者通过利用弹性储能的被动动力学原理并通过跟腱返回来节省相当多的代谢能量[15]。我们假设在步行周期中使用平行弹簧的被动踝外骨骼能够回收大部分踝关节机械功。最近的一项研究表明，当人类穿上（即非便携式），双侧，轻型，气动力的踝关节外骨骼，在推出过程中仅取代约63％的踝肌 - 肌腱机械功，它们可通过以下方式减少代谢能量消耗与没有外骨骼的步行相比，增加了4％（增加了约6％的质量惩罚）[16]。因此，在行走的关键推进阶段（即推出）期间在单个关节（即踝关节）处提供机械能可以具有明显的代谢益处。通过采用轻便，便携的方法，应该可以将未受损的步行的代谢成本降低多达18％[15]。在临床人群（例如中风）中，应该可以将代谢成本降低多达30％，从而在特定质量的基础上将能量消耗降至正常范围。
第二节 设计表1.关键设计规范
A.目标我们研究的主要目的是建立一个被动弹性踝外骨骼，可以降低人类行走的代谢成本。我们采用了一种生物学启发的设计方法：在行走过程中利用人体踝关节中观察到的受控弹性能量储存和释放的机制。通过利用人体运动中固有的被动动力学，我们的设备将提供主动供电系统的所有优势（例如[16]），但是在轻便，便携式框架（即无系绳）中，无需电机，电子设备或外部能源。 C.方法为了产生与踝关节中心平行的扭矩并匹配正常的踝关节力矩，我们围绕一个市售的线性拉伸弹簧设计了中心（参见表1的规格）。我们计算了初始值 为了在步幅期间以关键间隔正确地存储和释放弹簧的能量，需要机械控制系统。我们设计的弹簧，销，和运动约束的系统来控制一个棘轮和棘爪的闩锁和释放，接合和行走期间脱开平行弹簧（图5，6）。这种新颖的，可调节的“智能离合器”是有利的，因为它使用弹簧连杆的线性运动，通过踝关节角度的变化传递，而不是机电开关来设定棘爪闩锁和释放的时间（图7） 。我们附上'智能离合器'
第三节 离合器设计深度我们设计的核心部件是采用可控储能和释放原理（CESR）的离合机构[17]。“放大”观察踝足底屈肌的肌腱相互作用的生物力学，激发了我们对离合器设计的生物启发方法。超声成像研究为肱三头肌（比目鱼肌和腓肠肌）和系列跟腱[2]的机械功生产机制提供了重要窗口。这些研究表明，在踝关节推出期间产生的大部分甚至全部正面工作可能来自先前拉伸的弹性组织的反冲（图2）。此外，比目鱼肌和腓肠肌肌束在期间产生高的力几乎等长的收缩。等长肌的类似支柱的行为在机械上类似于静态运动约束，当肌肉被激活时可以打开静态运动约束，当肌肉放松时可以关闭（即离合器传动）[18]。系列弹性组织（跟腱和腱膜）可以很容易地用机械弹簧或合成弹性元件代替[19]，[20]。 考虑到比目鱼肌和腓肠肌的肌肉激活的正常开始时间，我们确定了行走步幅（约10％步幅周期）和脱离（约60％的步幅）离合器的关键点（图7））。脱离的时间很重要，因为它允许在摆动期间自由旋转踝关节 - 与传统的DAFO相比，我们设计的一个新颖方面。  图4。 如图7所示离合器通过允许连杆（Kevlar股线加线性弹簧）向下运动直到后跟撞击（橙色）开始。在最大背屈时，定时销与棘轮和棘爪机构啮合，这限制了连杆的进一步向下运动。然后来自离合器中的恒定拉伸弹簧的反作用力在系脚弯曲时占据系统中的松弛，直到脚部平坦位置（紫色）。随着脚踝开始背屈到中间姿势，脚踝开始向背部锁定并且连杆传递力以拉伸线性弹簧，从身体的质心（绿色）存储能量。在推出期间，存储在线性弹簧中的所有能量在踝关节处返回以执行正向机械功，推动身体向前（深蓝色）。然后，  图6。  图7。
第四节 结论我们的生物学启发的踝关节外骨骼设计模拟人类行走过程中人体三头肌surae-Achilles肌肉 - 肌腱单元中观察到的弹性能量储存和返回周期。当前原型直接响应来自脚踝角度的机械反馈，以便接合和脱离平行弹性弹簧。我们设计的新颖之处在于它能够在站立期间的能量存储模式和在纯粹无源（无电机或电子控制）封装中的摆动期间的自由旋转模式之间切换。这些设计功能消除了对外部电源的需求，并使其便携和轻便。即使采用流线型设计，原型的台式测试表明它可以轻松支持典型用户（身体）的全身重量 我们当前原型的一个限制是能量存储和释放的阶段以及自由旋转被设置为特定步态（即以给定的预选速度稳定行走）并且必须针对步态的变化手动调整。我们已经开始开发下一代原型，通过使用机械传感和反馈自动调整步态的变化来解决这一限制，而无需使用电子设备。 接下来的步骤包括：（1）测试台面上的“智能离合器”以验证在多个周期内的稳健行为（2）执行人行走测试（在受损和未受损的受试者中）以确定该装置是否可以减少代谢能量消耗在不同的速度和弹簧刚度（3）继续开发下一代原型，能够调整离合器“即时”的接合时间。可调节的离合器正时对于行走任务中的性能而言是重要的，其中机械需求的变化（即速度的增加）。 功能性被动弹性外骨骼的优点主要集中在帮助踝关节推进上，这种益处将是普遍存在的。该装置可用于恢复中风，脊髓损伤，脑瘫，跟腱断裂甚至关节炎后有步态障碍的人的正常行走。此外，该装置可用于援助野外士兵或进行艰苦的休闲徒步旅行。最后，确定纯粹被动外骨骼可能的限制将有利于那些设计用于下肢假肢和自动腿式机器人的致动系统。 致谢这项研究的资金由北卡罗来纳州立大学工程学院研究和专业发展基金以及北卡罗来纳州转化和临床科学研究所试点资助提供给GSS。 |
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