下肢辅助设备可分为两大类矫正法和假肢。矫正法是一种骨科设备用作支持调整畸形改善移动身体部位的功能,而假体是一种人工替代缺失的部位( 1, 2]。根据文献调查在2005年的截肢,美国(美国)记录大约160万下肢截肢者。这是预言,下肢截肢者的数量将增加到360万在未来50年的跨度 3]。另一个坦桑尼亚的调查报告显示,86.4%的总截肢者下肢截肢者( 4]。在巴西的一项调查报告,25%的总脚截肢者需要接口的解决方案( 5]。长期被动平足假肢使用者往往遭受身体伤害,如骨关节炎,骨量减少,随后骨质疏松症由于肌肉骨骼失衡或病态( 6, 7]。脚假肢具有灵活的适应能力是上述伤害的预防措施( 6, 7]。统计数据的必要性和可能的身体伤害反映合适可靠的自适应假肢可以模仿人类的脚还脚功能在商业水平。脚截肢者的生命可以上升,舒适和更有效率的社会发展先进、可靠的修复解决方案。目前,一些被动 8- - - - - - 16],活跃[ 17- - - - - - 19),和混合 20.- - - - - - 30.)自适应脚接口已经开发重点不同的功能需求和设计机制。

人类的脚有自适应能力使得脚承受任何不均匀的表面。完成必要的运动学和动力学的调整在行人步行的步态模式为了保持稳定脏的或不平坦的地形 31日]。通常情况下,人类行走的决定是在对人类视觉传感器和神经传感器。截肢者缺乏某些神经传感器由于身体部分的损失。的表面适应脚的能力大大增加了残肢上的负载。此外,压力溃疡和深层组织损伤可能发生重大压力的结果在一个残肢( 32]。缺乏稳定导致假体用户下降当进入一个不均匀的表面( 33]。缺乏inversion-eversion踝关节假肢可以导致不稳定由于部分收缩的表面。合适的解决方案,这些物理问题和实际问题需要解决在设计一种自适应假肢。然而,大多数现有的下肢踝关节假体并没有专注于发展一个合适的自适应脚假肢踝关节假肢设备。相反,被动平假脚通常被用作商业终端连接器奥托博克等下肢假肢。以来被动平足假肢有限功能和其他身体的副作用如前所述,自适应脚假肢是必不可少的重新开发自然步行运动下肢假肢( 34- - - - - - 37]。

在本文中,作者回顾了自适应脚假体的设计和发展,提出了自1997年以来,下肢假肢。有必要研究设计特性、优点和缺点现有的设计以提高自适应领域的假体。一些可用的评论集中在下肢假肢( 38, 39),下肢假肢的控制方法 40, 41),和假脚设备( 42]。Versluys et al。 42)分类传统脚、能源存储的脚,和仿生脚控制,舒适,和化妆品。他们回顾了只有有限数量的现有仿生足设备和自适应机制也不被认为是评论文章。自2009年以来,很多活跃的脚与小说机制介绍了假肢。深入回顾自适应脚假肢很少发现机制与小说。提示审查论文适应假肢是非常有用的,不仅识别研究的现状,也向任何人提供信息领域的发展适应假肢。本文是基于现有的自适应假肢。一些被动假肢是可用的和引人注目的设计功能和机制。他们可以转移到主动设计合适的设计变化,导致在本文添加这些设备。本文的重点仍然是在现有的设计中,其有利和不利的设计问题,常见的解决方案适应假肢。

系统回顾最近的事态发展在脚上假体已经完成基于组设计标准。选择的文件是根据预选的搜索关键词。许多科学的数据库,选择以下由于更高的可用性相关的手稿数量:IEEE Xplore,爱思唯尔,鼠尾草,InTech, PLOS ONE, ASME(美国机械工程师协会期刊),和康复杂志》上的研究与发展(JRRD)。本文选择编译在棱镜标准( 43]。所选论文最初筛选,然后重复被移除,论文进一步完善将无关紧要。后搜索关键字被调整以获得更多的有关结果。最后,搜索关键词“适应性脚义肢”。详细的审查方法在部分说明 5在下面。

本文的结构如下。节 2,脚踝和脚的解剖简单解释了为了澄清自适应假肢的功能需求。部分 3提出了需求和设计中遇到的困难适应脚假体的发展。提出了部分分类的自适应脚的假肢 4。扩展的细节,分析文献选择的方法,比较和评估现有的假体包括在部分 5。最后,讨论和未来的发展方向包括在部分 6。

脚的主要功能是进行步态周期。足够的流动性和稳定性是必要的脚来执行其任务。吸收流动性的地面反作用力是至关重要的。稳定平衡身体的姿势(是至关重要的。 44]。脚由6关节可沿径向和横向飞机。由于脚关节的复杂性,开发一个假脚模仿人类的适应能力是一项非常具有挑战性的任务。人脚的解剖包括26个骨头,33个关节,20肌肉,韧带超过100 ( 45, 46]。它可以携带人体体重由于其复杂的结构。脚的不同复杂结构的灵活性和弹性来执行各种具有挑战性的任务,比如跑步、登山、平衡、跳跃,跳跃,脚趾( 45]。脚骨分布在两个主要的并行结构,被称为“疼痛”。有三种类型的内侧纵弓,外侧纵弓和横弓。表面适应脚的(或灵活性和弹性)发生由于不同拱脚的角度(图 1)。沿纵向视图(矢状面)拱如图 2。曲率的骨头的脚提供了一个结构能吸收高力重复类似于一座桥。此外,内在和外在的肌肉提供结构性弹性拉杆如图 1和 2。由于这些肌肉的收缩和放松,拱脚的变化和增加脚的表面适应能力。这个几何分布结合肌腱和肌肉产生脚锚机机制( 47]。锚机机制用于移动重物在工程应用中。同样,锚机机制提供了额外的支持足弓的负载。

脚由后足的三个区域(脚跟),足,前脚(脚趾)。五个主要关节的脚脚踝(或Talocrural (TC)),距下(ST)关节,Tarsometatarsal (TMT)联合,跖趾关节(MTP),指间关节(图(IP) 3)[ 45, 46]。跟骨的后足由和岩屑。中足的舟骨、骰骨和三个楔形文字。前脚包括跖骨和趾骨。脚踝或TC关节是一种铰链关节沿矢状平面移动,提供背屈和plantarflexion脚动作。圣关节髁状的类型关节沿横向平面,使运动提供反演和外翻足运动。Midtarsal (MT)联合在圣关节和TMT关节之间由两个关节,即Talonavicular (TN)联合和Calcaneocuboid (CC)联合。TN的关节是一种球窝关节使沿横向平面的运动提供反演和外翻足运动。CC联合是一种改良鞍联合使沿矢状面运动,它提供了弯曲和扩展运动。TMT的关节是一种平面和滑膜关节连接mtp的脚。 The MTP joint is a condyloid type joint which moves along sagittal plane providing flexion/extension motions for proximal phalanges. This motion is essential when changing the arch of the foot on various surfaces. The IP joint is a hinge type joint which moves along sagittal plane which provides flexion/extension for middle and distal phalanges (Figure 3)[ 46]。

各关节的脚有旋转坐标轴的平面运动。人体的三个基本飞机图所示 4是矢状面、横面和额叶平面。一些主要的人类脚的转动轴图所示 5。红衣主教的纵轴脚沿矢状面。圣联合和TC联合由踝骨相连,然而这两个轴垂直于另一个更像由于铰链和关节髁状的类型。因此,脚趾可以滑动和滚动。知识这些飞机和轴的旋转运动是很重要的了解现有的移动轴脚假肢。更好地理解人类脚的解剖确定设计要求至关重要。表 1总结上述人脚关节的运动范围。(考虑旋后+方向和内翻−方向)。远端IP有少量的扩展,称为过伸表示在表 1为“超级”。

人类的脚由超过100控制五个主要关节的韧带。有几个设计困难,可以发生在开发一种自适应假肢。复杂自然人类脚的结构使它更难以模仿人类脚的自适应特性通过脚假肢。人类的脚保持它的稳定性使掌心向上/都会沿着纵轴和跖屈、背屈中侧的轴。趾骨的表面接触面积可以增加通过收缩和扩展他们沿着中侧的轴。multi-DoF系统与所有上述功能是一项具有挑战性的任务执行器必须安排彼此接近而带着身体负荷。

人类的脚弓沿纵向和横向轴,使适应任何表面沿着两个方向旋转。开发一个multidegrees自由的系统是一个具有挑战性的任务。踝关节是复杂的。大多数现有的假体高扭矩传动装置用于踝关节。因此对踝关节需要提供足够的空间。各种机制可用于传输一个假肢的权力。,选择最合适的方法有基于电源,类型的应用程序,将假体的重量。假体应该有足够的运动能力在每个轴给定的表 1。设备需要的尺寸范围内的平均人类脚的大小。自适应假脚需要在人脚平均体重。如果超过这个,长期使用的截肢者感到不舒服。需要高强度材料开发的脚需要保持全身负荷和大型地面反应部队各种日常生活活动(ADL)如跑步,跳,跳。一些开发人员使用轻量级、高强度聚合物材料代替金属类型。的方法将脚假肢剩下的下肢或假肢装置需要解决的另一个考虑。表 2提供了一个简洁的设计要求列表。

假体可分为根据应用程序:上肢假肢,下肢假肢,假肢。矫形器在两个子分类可分为:外骨骼和终端执行器连接设备。有不同类型的下肢假肢设备可用基于应用程序就是臀部脱节截肢者,膝盖以上的截肢者(施行),膝盖关节截肢者,膝盖以下(transtibial),脚踝脱节截肢者,和部分脚截肢者( 1, 2]。此外,自适应脚假肢可以分为三个类别,是一种被动的,活跃的,和混合动力假肢。被动假肢功能缺乏由于模仿人类的腿运动相比,活跃的假肢。因此积极假肢的发展是至关重要的。然而,他们仍在研究层面上由于缺乏设计和控制问题。多年来大量的施行和transtibial假肢已经开发出来。然而,有一个领域的研究差距发展适应脚的假肢。自适应脚的硬件建设假肢可以分为几类,在驱动方法进行分类,景深,和类型的致动器,基于电力传输方法,能源再生方法,将方法附加到残肢或transtibial假肢等等。下面的一些分类方法进行了讨论。表 3总结了自适应脚的硬件建设的分类接口设备。

(我)驱动方法。下肢自适应脚接口基于电源进行分类的方法。被动假肢body-powered或者使用用户动作的力量。活跃的假肢使用外部电源驱动。大多数现代自适应脚假肢都结合被动和主动关节。这种方法增强了可用能源的使用在移动通过被动关节和其他必要的运动活动关节由外部电源。

(2)景深。自适应脚假体可分为根据活动关节的数量或外部动力驱动关节1景深,2自由度,3自由度,等等。

(3)类型的驱动器。有各种类型的致动器,用于现有的假肢。他们是直流电机,无刷直流马达(刷),伺服电机和交流电机。不同类型的直流电机无刷电机和伺服电机等。

(iv)电力传输方法。接口传输能量使用各种方法如齿轮驱动,链条驱动,连接到驱动器和联系机制,离合器驱动,等等。另外,皮带传动,滚珠丝杠驱动器和电缆驱动方法是可能的。

(v)能源再生方法。现有的执行器扭矩代能力有限。因此,一些研究人员已经开发出能源再生机制来生成所需的高扭矩。系列弹性装置(海)是最受欢迎的方法之一在现代天。此外,螺旋弹簧和离合器马达,联系,与汽车凸轮轴,板弹簧与现有汽车已经被使用在不同的设备上。

(vi)的附加方法。附加的方法自适应脚假肢的下肢假肢截肢的使用至关重要。可以有两种类型的附加结束连接假肢的残肢和附加自适应脚假肢transtibial施行假肢的假肢。Ankle-foot联轴器和金字塔适配器是常见的其他附加可用方法。此外,套接字连接方法是可能的。

假脚作为下肢假肢的终端设备。有被动和主动适应假肢。被动假肢设计与用户操作的身体力量和无致动器驱动关节。完全被动元器件与运动能力相对有限。活跃的假体设计与外部动力执行机构控制关节。它需要一个设计良好的控制结构来控制所有的关节同时模仿实际的人体步行运动。活跃的假肢的功能增强开发人员更关注脚而不是电力设备被动的机制。致动器的引入到活动假肢让他们重得多比被动假肢。由于上述有利和不利的被动和主动假肢的缺点,结合被动和主动关节假体(或混合)最近一直在由制造商。混合动力假肢优于其他假体提高工作空间,更高的功能,更大范围的运动。

假肢变得笨重的外部电源。随着假体质量增加,用户感觉不舒服时使用它在很长一段时间。因此节能机制引入了假肢开发商减少电力需求。基于spring的能量存储和再生方法像系列弹性致动器(海) 48),平行弹性致动器(豌豆),clutchable系列弹性致动器(CSEA) [ 49),无级变速系列弹性致动器( 50]等等这样的机制是一些例子。附加的方法自适应脚假肢下肢假肢主要耦合、金字塔式附件。铝是原型的常用材料和昂贵的材料,如碳纤维已经用于一些发展。表 4, 5, 6提供一个简洁的比较现有的消极、积极和混合自适应脚假体在1997 - 2016。自适应脚的重量假肢,驱动方法和数量的致动器,旋转轴,相当于人类的脚关节,工作原理,移动范围在每一个自由度,残肢肢或者transtibial假肢的附加方法,和材料用于开发。

为了选择数据库,几个通用的关键字被搜索如“适应性假脚、脚、ankle-foot假肢,下肢假肢,假肢,人形机器人”。InTech IEEE Xplore,爱思唯尔,圣人的哲理,+ 1,ASME(美国机械工程师协会期刊),和康复杂志》上的研究与发展(JRRD)数据库是由于大量的相关搜索结果。“自适应的搜索词脚假肢”成立于若干次迭代来获取更多的相关的结果。搜索限于会议论文集,期刊论文,论文,专利20年的时间从1997年到2017年。搜索结果包括相当数量的控制算法、医学研究人员和其他机器人研究人员。然而,基于有限只有机械的设计和发展。大部分由膝盖和脚踝的假肢设计已被淘汰,只有ankle-foot和脚被选中。与深入研究可用的假肢装置设计和他们的集中区域,其中大部分是精制和我们检索最挪用一些适合的主题自适应假肢。在现有的自适应假肢,平足设计被排除在外。只有被动,主动,被动和主动的组合(即。混合动力假肢)假体采用的审查。 The number of search results obtained for each keyword in different academic databases is shown in Table 7。

搜索检索2437手稿从选定的学术数据库。结果被手动筛选提炼使用标题和摘要的相关性。选择剩下论文进一步研究,我们排除了论文没有适应脚的设备。共20篇文章被选中是因为高相关性自适应英尺假肢的话题。棱镜流图 6总结了评估选择过程。棱镜(首选项报告系统评价和荟萃分析)方法用于系统评价在思考提高报告质量 43]。因为大多数小说的设计开发了基于专利和一些专利是超出了本文的范围,只有4项专利已经包括在审查中。

人类脚的解剖结构之前,从生物力学的角度研究了设计和开发的评审。本文综述了几种现有的自适应脚假体在不同的设计标准。随后,需求和设计的困难中被确认。在本文中,自适应脚分为被动假肢,活跃,根据驱动方法和混合。现有自适应脚假肢的关键参数比较表 4, 5, 6来显示他们的原产地,引用,体重,驱动方法,转动轴,使用的机制类型,活动范围,剩下的义肢或残肢的附加方法,和使用的材料。

人类的脚由复杂的关节。它经历了巨大的冲力在整个步态周期由于体重和地面反作用力。有必要开发一个设备的强劲和轻质材料。小说机制和高扭矩适应脚轻执行机构是必要的假体减少体重。设备的总重量大约需要更接近人类的脚平均体重避免暴露不必要的体重。大多数现有的自适应假肢是1脚景深或2自由度和只能沿着MTP旋转关节。只有几个假体沿纵轴旋转功能。因此,设计和开发一个自适应脚假肢可动轴都是一个具有挑战性的任务。然而,这样的发展将提高下肢假肢的稳定在任何凹凸不平的地形。

高torque-to-weight比例执行机构必不可少的高性能自适应假肢。关节的关节尺寸小和总数大脚趾地区人类的脚。因此微型执行器需要开动脚趾地区多个自由度。目前货架驱动器不满足这个要求。很少有开发人员解决这个问题在一定程度上通过使用定制的致动器。然而,这是一个昂贵的小规模研究的方法。

为了减少外部用电和再生能力,机制如海,螺旋弹簧离合器马达,和泉水可以作为执行机构。这些机制可以储存能量和释放能量在整个步态周期重复。此外,弹簧效应在一定程度上使自适应自然。此外,研究需要进行开发能源再生。作者预言,未来的能源再生方法和自适应接口将由用户会更方便。

没有感觉不适的截肢者长期使用假肢,附加的方法自适应脚的下肢假肢或残肢是至关重要的。因此,进一步的研究需要进行发展人体工程学友好连接的套接字。最终使用这些机械设备被人类作为一个人工的身体部分。因此基于机械闭锁装置和控制安全措施和手动操纵方法需要包括假肢。

假肢的设计应该满足解剖要求以及用户的生理需求。自适应义肢脚是需要有一个有吸引力的风采与便携式设备。一些现有的自适应脚假设法实现上述设计要求的几个,虽然没有一个单一设备的所有基本功能相结合。大多数现有的自适应脚假肢扭矩有限,力量,运动范围。不必要的噪音和振动进一步降低设备的质量。这些一般在未来的设计问题必须解决。

本文总结了现有的自适应设计标准脚假肢为了开发一个自适应假肢。本文采用系统的文献检索方法。本文的范围,这是足部假体的自适应特性,还没有讨论可用的评论文章。本文提出了设计参数为每个分类方法分类现有的自适应假肢。在现代天,活跃和混合动力假肢更受欢迎由于其高功能。然而,在本文的一些现有passive-adaptive脚假体也被审查由于其意义等机制和转移的可能性机制混合设备。基于驱动自适应脚假肢已经分类方法和比较考虑设计要求和设计标准。它使读者比较和对比现有的设备和选择最合适的方法为他们的设计要求。