主动式踝关节假肢控制系统设计及控制方法研究Word格式.docx

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踝关节假肢的结构和控制方法经历了从简单到复杂，从传统到智能的发展过程，一般分为被动式假肢、半主动式假肢和主动式假肢。

最初的被动式假肢采用提供阻尼力的弹簧、气压缸以及液压缸，由于对阻尼的有效控制，改善了假肢运行的平滑性，但是适应的步态有限，尤其不适应快速行走，没有解决步态不匹配的核心问题；

基于被动式假肢核心技术研制出新一代的半主动假肢[3]，不仅可以提供被动式假肢擅长的阻尼力，而且能够提供必要的助动力，扩大踝关节可控范围；

主动式踝关节智能假肢是假肢技术、材料技术、机械技术、电机控制技术和信息采集技术高速发展的产物，这种假肢多用其机械结构提供阻尼力，以内置电机产生动力，并用高性能微处理器处理信息，控制假肢阻尼力和动力的大小与变化率。

其中阻尼力的存在能够使步态更平滑，假肢不会出现生硬的反弹现象，动力的存在能够有效减缓残疾人的疲劳感。

随着微处理器的广泛应用，为智能假肢实现实时控制提供了巨大可能性，主动式踝关节假肢的出现改善了佩戴者行走过程中假肢与健肢的协调不佳的问题。

在继承被动式假肢的阻抗特性的基础上，主动式踝关节假肢还具有对步态自我调节的能力，并

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且能适应外界条件的变化。

主动式踝关节假肢行走过程中提供的动力，能够更高质量的实现符合人体踝关节的运动机理的步态。

为了满足主动式智能踝关节假肢的社会需求，在国家科技支撑计划的支持下，课题组开展了基于踝关节角度的步态划分与基于角度负反馈的主动式踝关节智能假肢关键技术的研究。

主动式踝关节智能假肢能够极大的改善传统假肢的生硬的步态，减缓广大截肢患者的疲劳感，使其重新燃起生活的希望，更加自信地融入社会，除此之外，这项研究能够极大地提高了我国假肢研究水平，并进一步地促进了康复医学工程的发展。

1.2国内外发展现状

国外对假肢技术的研究开始于上个世纪，从无到有、从简单到复杂，成果显著。

膝关节假肢技术在相当长的一段时间内是主要研究方向，踝关节处于膝关节的附属环节，客观上忽略了踝关节在实现自然步态中的重要作用。

具体到我国，假肢技术研究起步较晚，相关高校和研究机构比较少，假肢技术相对落后，尤其是假肢技术的智能化仍处于起步阶段。

假肢技术的复杂性和特殊性要求机械学科、微电子技术学科、计算机控制技术学科和传感器学科的研究人员通力协作，研究出低成本高性能的假肢产品以造福广大患者。

1.2.1国外发展概况

上世纪九十年代以来，电子、气压、液压等技术被广泛地应用于假肢领域[4]，国外的研究机构在被动式踝关节假肢领域取得了一定的成果。

随着新型材料技术与控制技术引入到假肢技术中，假肢产品的结构更加轻便坚固，控制方法更加复杂，但其瓶颈也愈发明显：

被动式假肢不能识别并调整步态，残肢侧与健肢侧匹配度不高、行走不自然，截肢者易疲劳，体感不佳。

本世纪初，美国和日本采用计算机技术对被动式假肢进行步态识别，并利用微电子技术实现复杂的控制方法，逐渐改善传统假肢步态不协调的缺陷。

图1.1是日本研制的被动式踝关节假肢，内置的磁流变液体在必要时刻可提供阻尼力。

磁流变液体对磁场强度极为敏感：

在弱磁环境下，粘滞系数极低，而在强磁场下，瞬间具有极大的粘滞系数，可以提供足够的阻尼。

利用此特性，配合信息采集技术，通过控制磁场强弱间接控制假肢步行时的阻尼大小，对步态进行简单规划[5]。

图1.2是美国密西根大学设计的智能踝关节假肢[6]，其工作原理是，随着脚跟着地，弹簧受压迫储能，当传感器检测到脚尖的下按动作，脚跟瞬间释放弹性势能，提供前进动力。

整个控制机构于摆动期复位。

该款假肢包括两个微型电机，其一是用来

释放储存的弹性势能，其二是在摆动期内用来复位系统。

如图1.3是冰岛奥索公司研制的智能假肢踝关节，它能自动识别上下斜坡、上下楼梯和坐下与站起等不同运动并控制动作自然完成。

尤其是拥有能在摆动末期脚尖自动上抬的处理机制，该机制能够更好地适应带有缝隙和凹陷的路况。

图1.4是美国麻省理工学院设计了iWalkPowerFootOne。

它依靠多弹簧并联放置来模拟肌肉模型，提供阻尼力。

电机提供助动力。

有效地改善了步态协调性，增强截肢者的平衡能力[7-10]。

主动式假肢与被动式假肢有两个本质区别：

其一是主动式假肢引入电机作为执行机构，能够为踝关节提供必要的助力，减少疲劳感。

其二是主动式假肢中引入角度传感器和压力传感器，能够更加全面的了解当前假肢所处的实时状态，增加对步态的辨识性。

图1.1日本磁流变假肢

图1.2美国密西根假肢

图1.3冰岛奥索ProprioFoot

图1.4美国iWalkPowerFootOne

1.2.2国内发展概况

最近几十年，清华大学、中南大学、东北大学和河北工业大学等高校相继开展了假肢课题。

清华大学在假肢机械结构设计和利用肌电信号进行步态识别方面做出了首创性工作[11-13]。

图1.5是中南大学谭冠政教授研制的我国首款智能仿生人工腿原型机

CIP-ILeg[14]，具体工作原理是，小腿的摆动会带动气缸内的活塞有规律的往复运动，小腿弯曲导致气体压缩储能，小腿回直时，储能气体对外做功即可提供恢复力，通过电机调节储能气体的气压来控制其提供的恢复力大小，进而控制CIP-ILeg的步速。

CIP-ILeg能确保残肢侧与健肢侧有良好的匹配度。

图1.6是东北大学徐心和教授设计的异构双腿行走机器人[15-17]，该机器人采用MR阻尼器作为其执行机构，以有限状态机思想作为控制根基，通过实验不断学习，系统能有效地再现膝关节运动。

河北工业大学杨鹏教授在国家科技支撑计划资助下，同清华大学、国家康复辅具研究中心合作研发了变阻尼被动式假肢并实现商用产品推广，首批产品已参与“福康工程”[18-20]，如图1.7。

该产品的控制系统是一个低功耗嵌入式系统，利用霍尔传感器和角度传感器获得实时运动信息，通过控制电机来改变气缸内气体运动时遇到的摩擦阻力大小，使假肢能够适应速度变化的情景中[21-22]。

图1.8是武汉理工大学研制的主动型踝关节假肢[23-24]，它以直流电机作为动力源提供动力，以弹簧提供运动的阻尼力，其中碳纤维脚页能够支撑足够的重力并有较好的弹性，踝关节在摆动期姿势可调，在支撑期，提供能量推动人体前进。

综上所述，国内的踝关节假肢技术主要专注于被动式假肢，涉及主动式踝关节的科研项目较少，主动式踝关节技术仍有巨大的空间供科研人员探索。

图1.5CIP-ILeg

图1.7智能下肢假肢膝关节

图1.6异构双腿机器人

图1.8主动型踝关节假肢结构示意图

1.3本文主要研究内容

本课题来源于国家科技支撑计划“仿生大腿假肢的研发”（2009BAI71B04）。

首先研究踝关节在下肢运动中的作用与规律特点，然后结合假肢技术在控制系统中实时采集踝关节的步态信息，开发出角度可控的主动踝关节假肢控制系统。

本文先通过采集行走中下肢各关节的角度、扭矩等运动参数，总结出踝关节的各参数的特点和彼此联系，最后提出分层的控制思想并进行实验验证。

第一章“绪论”。

介绍假肢技术的蓬勃发展史以及国内外对假肢技术研究的各自的侧重点，得出对假肢技术，尤其是主动式智能踝关节假肢技术研究的重要性和必要性。

第二章“人体下肢踝关节信息采集与参数分析”。

利用ViconMX步态信息采集系统，捕捉到健康人平地行走下的步态信息，了解踝关节对健康步态的重要贡献。

在平地行走的路况，着重研究踝关节的周期信号的变化特征，总结可用的变化规律，从而为主动式踝关节假肢的控制策略做好实验依据并打下理论基础。

第三章“主动式踝关节假肢控制方法”。

本章首先分析并确定主动式踝关节假肢核心执行单元传递函数的阶次，可以简要了解其本质特性。

然后对主动式踝关节假肢采用分层控制方法，上层是通过对踝关节角度曲线与扭矩曲线的分析，利用最小二乘法将踝关节角度曲线分段线性化，得出控制器可用的控制指标，同时获得分成若干段的事件。

事件用有限状态机描述并建立不同的执行函数，以传感器检测的步态的关键时刻作为状态转换的触发事件。

下层是执行函数的具体实现，系统的核心执行单元是直流电机，控制器采用PID方法确定符合控制指标的PWM信号的占空比，并依据踝关节角度偏差、偏差变化率来制定模糊控制规律表对PID的三个参数进行微调和修订。

并将踝关节实时角度值作为系统负反馈环节，增加系统控制的稳定性。

最后给出实验验证分层控制方法在主动踝关节假肢上的可行性。

第四章“主动式踝关节控制系统的硬件设计”。

本章主要介绍了以TMS320F2812为核心的控制电路设计，主要包括电源模块、复位模块、传感器模块、串口通讯模块和直流电机驱动模块的芯片选型和电路设计。

第五章“主动式踝关节控制系统的软件设计和实验分析”。

本章的软件设计包括主动式踝关节控制系统的软件设计和PC上位机设计，其中控制系统的软件设计又包括主程序设计、定时器、A/D采样中断服务程序设计以及关键函数的设计，他们整体上组成整个控制系统，其中主程序的作用是为整个系统搭建软件平台，配置寄存器，初始化控制参数。

中断服务程序中完成有限状态机控制的调度和直流电机控制命令的生成。

其他的关键函数，是实现控制系统的必不可少的函数，比如模糊整定PID，角度信息的循环采集和存储等。

PC上位机软件主要涉及了串口应用和曲线的实时刷新

等方面。

实验分析：

下层控制方面，主要对PWM控制电机效果做出实验并给出分析。

上层控制方面，给出了整体的主动式踝关节智能假肢的踝关节角度曲线的跟随效果并给出分析。

第六章“总结与展望”。

概括性的综述了全文的主要内容，并提出今后的待完善的工作和研究方向。

第二章人体下肢踝关节信息采集与参数分析

人体的下肢运动兼具复杂性和规律性，人体下肢运动需要中枢神经系统、周围神经系统和肌肉骨骼系统彼此配合、彼此间协调工作。

运动学分析的侧重点是动作的时间特征和空间特征，其研究的主要内容是运动的轨迹、速度（或者角速度）以及加速度（或者角加速度）等运动参数。

2.1步态划分

步态周期是人体运动规律的一个直观性表现，步态周期是某一侧脚底某区域（一般是足跟）连续两次着地的间隔时间。

按照步态中下肢所起的作用将步态周期划分为支撑期和摆动期，在支撑期时，膝关节与踝关节支撑全部体重，保持人体的平衡，支撑期约占整个步态周期的60%，支撑期对人体姿态规整有重要意义，支撑期又可根据踝关节不同功能细分为跖屈控制相CP、背屈控制相CD与跖屈动力相PP，如图2.1。

跖屈控制相CP，是指同一侧脚跟着地到其脚趾全部着地的时期，这段时期，踝关节可减缓脚踝着地时的巨大冲击力，并为背屈控制相CD调整姿势。

背屈控制相