CN110169850B - 被动型液压膝关节假肢的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种被动型液压膝关节假肢的控制方法，通过获取压力信号和小腿倾斜角度信号组合来实现步态相位识别，将一个完整步态周期T分为支撑期和摆动期，再对支撑期和摆动期细分状态阶段；根据不同状态阶段特点指定控制方案；伸展电机控制方案固定不变，修改摆动屈曲过程中阻尼大小来改变摆动屈曲时间的方式来适应步速的需求；建立不同步速和摆动屈曲电机绝对运行位置的对应关系，以步态周期时间来表征当前步速，通过迭代学习控制得到不同步速下的阻尼开度的对应关系，建立步速知识库，通过步进电机的绝对运行步数即电机的绝对运行位置来表示针阀开度。解决下肢假肢存在的步态异常、不可变速、耗能大的问题，使截肢患者的步态趋向于正常人的步态。
Description
技术领域
本发明涉及一种假肢控制技术，特别涉及一种被动型液压膝关节假肢的控制方法。
背景技术
当今社会，成百上千万人因为疾病、工伤、战争、交通事故以及一些意外伤害而被迫截肢。随着现代化进程的加快，这一数字正以惊人的速度增长。据调查，我国现有肢体残疾人约6000万，完全依靠国外产品满足国内残疾人的需求在近期希望渺茫。20世纪后半期，假肢技术取得了飞速发展。假肢膝关节对于提高大腿截肢患者的生活质量以及回归社会具有重要作用。传统假肢膝关节存在步态对称性差、无法适应步速变化等问题，难以满足我国广大下肢截肢患者提高生活质量的需求。因此研制智能液压膝关节对于改善我国下肢截肢患者的生活具有重要意义。
发明内容
本发明是针对假肢控制改进的问题，提出了一种被动型液压膝关节假肢的控制方法，解决传统下肢假肢存在的步态异常、不可变速、耗能大的问题，使截肢患者的步态趋向于正常人的步态。
本发明的技术方案为：一种被动型液压膝关节假肢的控制方法，主控单元实时采集安置在残端和小腿倾斜处的惯性传感器，膝关节处的角度编码器，和安置在腿管末端的压力传感器，并对各传感器信息处理分析，进行步态相位识别、步行速度检测，并根据识别和检测结果确定伸展电机、屈曲电机当前需要的执行状态，并组成对应CAN报文指令发送给从控制单元，通过控制针阀开度位置调控假肢膝关节阻尼力矩，以实现阻尼调控；从控单元将电量、电机执行状态反馈给主控单元，同时主控单元实现与上位机进行数据通信的功能，通过获取压力信号和小腿倾斜角度信号组合来实现步态相位识别，将一个完整步态周期T分为支撑期和摆动期，即支撑相和摆动相；支撑期开始于脚后跟着地结束于脚前掌离地，摆动期开始于脚前掌离地结束于脚后跟着地，再对支撑期和摆动期细分状态阶段；根据不同状态阶段特点指定控制方案；
伸展电机控制方案固定不变，修改摆动屈曲过程中阻尼大小来改变摆动屈曲时间的方式来适应步速的需求；
建立不同步速和摆动屈曲电机绝对运行位置的对应关系，以步态周期时间来表征当前步速，通过迭代学习控制得到不同步速下的阻尼开度的对应关系，建立步速知识库，通过步进电机的绝对运行步数即电机的绝对运行位置来表示针阀开度。
所述迭代学习控制采用P型迭代学习率Uk+1(t)＝Uk(t)+L*Ek(t)；其中Uk+1(t)为第k+1个周期计算得到的针阀开度，Uk(t)为第k个周期计算得到的针阀开度，L为比列系数，Ek(t)为设定最大膝关节屈曲角度与第k周期摆动期中最大膝关节屈曲角度的误差，所设定的最大膝关节屈曲角度为65度；当误差初步收敛到一定程度即|Ek(t)|<|Ea|时，此时控制误差趋向稳定收敛，可认为该误差精度满足控制需求，算法停止迭代学习，将得到的此步速下的针阀开度与当前的步态周期的时间T组成具有对应关系数据并保存；其中该算法中Ea为通过对正常人步态分析以及测试实验后所设定的误差阈值。
所述惯性传感器安装位置使本体坐标系的Z轴与地心惯性坐标系的Z轴经过位置调整后两轴重合，所测的俯仰角为本体以地心惯性坐标系旋转轴所转过的角度，该俯仰角用来描述小腿的倾斜角度，且该角度输出范围大于小腿正常行走过程中倾斜角度范围，并经过数据校准处理后，俯仰角的0度为假肢处于垂直地面的位置；当全脚掌着地时，假肢膝关节与地面垂直，此时可得到小腿倾斜角度理论为0度，当脚后跟离地时，腿管位于膝关节所处的竖直轴的后方，则小腿倾斜角度为正；当脚后跟着地时，假肢膝关节在以膝关节处往下做的竖直轴的前方，则小腿倾斜角度为负；利用测得的俯仰角准确快速的区分开支撑期相位。
所述被动型液压膝关节假肢的控制方法，两个步态周期时间Tk和Tk+1，当|Tk+1-Tk|<|Et|时,即当两个步态周期时间的差值的绝对值小于所设定的步态周期的误差阈值Et的绝对值时，将这两种步态周期时间看为同一个步行速度。
本发明的有益效果在于：本发明被动型液压膝关节假肢的控制方法，实现了假肢膝关节的步速自适应控制和步态对称性，也大大降低了穿戴者的能耗。
附图说明
图1为本发明被动型液压膝关节假肢的控制系统方案图；
图2为地心惯性与本体坐标系示意图；
图3为本发明步态相位识别示意过程图；
图4为本发明假肢膝关节的调速过程图。
具体实施方式
整个控制系统包括步态相位识别模块、路况识别模块、步速检测模块、电量检测模块等部分组成。步态相位识别是整个控制系统的控制基础，只有在特定的步态时相下进行不同阻尼控制才能使假肢膝关节的摆动符合正常人的下肢规律，从而匹配健侧行走。路况识别的目的在于不同的路况下，下肢步态也各有差异，则对于假肢膝关节来讲，需要执行对应的步态模式才能满足对各个路况下行走的需求。步速检测模块用于检测当前行走的步速，为伺服位置控制系统提供电机需要运行的目标位置，是步速自适应功能实现的基础。电量检测模块主要用于检测假肢膝关节的工作电压防止电量不足使假肢膝关节工作异常，并将假肢膝关节处于防弯曲状态，减小摔倒的机率。位置伺服系统保证所研制假肢膝关节内部执行机构运行位置的精准性，即精确控制针阀的开度位置。本研究主要通过监测各传感器信号，对截肢患者的步态运动信息进行分析，判别出假肢膝关节的阶段或状态及步行速度，进而通过控制针阀开度位置调控假肢膝关节阻尼力矩，从而达到人体和假肢膝关节协同工作的目的。本发明的控制方法可归纳为利用迭代学习算法搭建步速知识库，实现步速自适应和在不同路况下采用基于有限状态机控制方法实现步态相位的阻尼控制。
本发明主要通过监测各传感器信号，对截肢患者的步态运动信息进行分析，判别出假肢膝关节的阶段或状态及步行速度，进而通过控制针阀开度位置调控假肢膝关节阻尼力矩，从而达到人体和假肢膝关节协同工作的目的。图1为整体控制系统方案图。主控单元实时采集安置在残端和小腿倾斜处的惯性传感器，膝关节处的角度编码器，和安置在腿管末端的压力传感器，主控制单元主要实现各传感器信息进行处理分析，进行步态相位识别、步行速度检测等功能，并根据识别和检测结果确定伸展电机、屈曲电机当前需要的执行状态，并组成对应CAN报文指令，并发送给从控制单元，以实现阻尼调控功能，从控单元将电量、电机执行状态反馈给主控单元，同时主控单元也需要实现与上位机进行数据通信的功能。
本发明的传感系统包括放置在假肢膝关节本身上的九轴惯性姿态传感器和假肢腿管处的压力传感器，通过获取压力信号和小腿倾斜角度信号组合来实现步态相位识别，有效克服了利用膝关节角度信号进行判别时出现双值的问题。
在一个完整的行走步态周期中，下肢共经历了地面支撑阶段和空中摆动阶段两个阶段。因此，将一个完整步态周期分为支撑期和摆动期，即支撑相和摆动相。
支撑期阶段开始于脚后跟着地结束于脚前掌离地，阶段时间约为整个步态周期的60％。摆动期阶段开始于脚前掌离地结束于脚后跟着地，阶段时间约为步态周期的40％。在整个步态周期的运动过程中，可依次标识为脚后跟着地、脚全掌着地、脚后跟离地、脚前掌离地、脚后跟离地最高处、小腿空中垂直地面等关键状态。根据上述的时刻关键点，对正常步速平地下的步态周期进行划分。
支撑期可分为3个阶段，第一阶段为支撑前期，是从脚后跟着地到脚全掌着地的过程，该过程为减速过程，主要吸收地面的冲击并开始承重，膝关节角度从0度屈曲增加到15度左右，时间约占整个步态周期的10％-15％。第二阶段为支撑中期，是从脚全掌着地到脚后跟离地的阶段，该过程中，身体的全部重量压在支撑腿上面，膝关节角度从15度伸展变化到0度，即大腿和小腿处于一条直线上，理想状态与地面垂直，时间约占整个步态周期的15％-30％。第三个阶段为支撑后期，是从脚后跟离地到前脚掌离地，在该过程中，重心逐步转移向对侧，并开始蹬地动作，推动身体向前运动，为一个加速过程，膝关节进行屈曲运动，膝关节角度从0度快速屈曲变化到40度左右，时间约占步态周期10％—12％的时间段。
摆动期也可分为3个阶段，第一个阶段为摆动前期，是从脚尖离地到膝关节到达空中最高点的阶段，该过程中髋关节屈曲带动膝关节屈曲，膝关节角度从40度左右快速变化到膝关节屈曲最大值约为60-70度左右，时间约占整个步行周期的13％-15％。第二个阶段为摆动中期，是从脚在空中的最高点到小腿垂直地面的阶段，时间约占步行周期的10％。第三个阶段为摆动后期，开始为脚后跟着地做准备，逐渐降低摆动速度至停止，膝关节屈曲角度减小到0度，时间约占整个步态周期的15％，该过程也称为摆动减速期。
本发明在步态相位识别划分过程中主要使用数据为俯仰角。(俯仰角)是相对地心惯性坐标系来说的，为本体坐标系相对地心惯性坐标系旋转轴所转过的角度。采用右手定则描述的本体坐标系和地心惯性坐标系如图2所示。oe为地心惯性坐标的原点，ob为本体坐标系的原点。
将姿态传感器嵌入在主控电路板上，同时调整姿态传感器安装位置使本体坐标系的Z轴与地心惯性坐标系(地心惯性坐标系是原点O在地心，OX轴过0经线与赤道焦点，OY轴过90经线与赤道交点，OZ轴指向北极星)的Z轴经过位置调整后两轴重合，所测的俯仰角为本体以地心惯性坐标系旋转轴所转过的角度，该俯仰角可用来描述小腿的倾斜角度，且该角度输出范围大于小腿正常行走过程中倾斜角度范围，并经过数据校准处理后，俯仰角的0度为假肢处于垂直地面的位置。当全脚掌着地时，假肢膝关节与地面垂直，此时可得到小腿倾斜角度理论为0度，当脚后跟离地时，腿管位于膝关节所处的竖直轴的后方，则小腿倾斜角度为正；当脚后跟着地时，假肢膝关节在以膝关节处往下做的竖直轴的前方，则小腿倾斜角度为负。利用测得的俯仰角可准确快速的区分开支撑期相位。
同时将压力传感器放置在小腿腿管的末端处，可通过该传感器测得轴向压力。当脚后跟着地时，由于地面冲击力此时输出的压力信号为一个峰值；当全脚掌着地时，此时压力传感器输出的压力信号表征患者的体重，但小于脚后跟着地时刻的的压力信号；当脚后跟离地，重心转移到脚尖处，此时传感器输出信号同样出现一个峰值；当假肢膝关节进入到摆动期时，此时压力信号输出为零，可利用该压力信号快速直观地区分开出支撑期和摆动期。
基于以上传感器输出信号分析，同时考虑到支撑期处于地面上，摆动期是出于空中的特性，避免仅仅使用单独信号进行判断步态相位而引发误操作的情况，本发明采用组合信号阈值判断的方法来进行步态相位判别。同时由于人体在行走过程中具有惯性，对于假肢的控制系统来说，区别于使用对应步态相位上的正常人的压力和角度数据进行判断，由于假肢执行机构的时间远远大于人体生理肌肉的反应时间，如果在典型的步态相位上再发出控制指令，会存在控制滞后的问题，整个假肢步态远远跟不上健康侧的步态，故需要提前识别出步态相位进行控制，从而解决假肢跟不上健康侧的问题。步态相位识别过程的框图如图3所示。
图中的正数a1、正数a2、负数b1、负数b2是穿戴假肢后经过实测过程的经验值，与实测俯仰角对比，用以判断步态；正数a1大于正数a2,负数b2小于负数b1。
针对平地路况下，液压智能膝关节假肢内部中设有一个阻尼可调的液压缸腔体，通过改变缸体与外部连通部分的开度大小来改变液压缸的阻力变化，引起假肢本身的阻尼大小，从而从整体上调整运动的速度和角度。
本发明通过改变摆动期时间来适应步速的变化，以与健侧保持匹配行走。当检测到步速变快时，可减小屈曲通道中针孔的大小，获取较大的阻尼力，从而减少假腿屈曲过程屈曲时间，或者增大伸展通道中针孔的大小，获取较小的阻尼力，减少假腿伸展过程中伸展时间以适应较快的步速。当检测到步行速度变慢时，增大屈曲通道中针孔的大小，获取较小的阻尼力，从而增大假腿屈曲过程屈曲时间，减小伸展通道中针孔的大小，获取较大的阻尼力，减少假腿伸展过程中伸展时间，以适应较慢的速度。
本发明针对平地下的调速方案鉴于患者的实际使用情况采用固定摆动伸展时期的阻尼大小，即伸展电机将针阀开度运行到一定位置，该位置不随步行速度的改变而改变，通过修改摆动屈曲过程中阻尼大小来改变摆动屈曲时间的方式来达到适应步速的需求。经过对人体的步态分析以及假肢膝关节本身液压阻尼力的分析，在同一步行速度和步行模式下对应的摆动期阻尼是固定的，只有当步行速度或步行模式改变时，对应的摆动期阻尼值才需要调节变化。根据本研究的步速控制方案，如果知道每种步行速度下摆动期的屈曲过程中阻尼值即屈曲过程中针阀开度并建立步速和摆动屈曲过程中针阀开度的对应关系，当检测到的当前的步行速度，快速驱动电机将针阀开度运行到指定位置，进而可以实现步速自适应的功能，改善患者行走步态的对称性，因此假肢膝关节的控制精度取决于表征步速的步态周期时间和摆动屈曲过程中的针阀开度的对应关系的准确度。本发明根据患者实际的使用情况，只在平地路况下进行步速的调控，其他路况下采用训练阶段所固定的阻尼开度值，假肢膝关节调速过程如图4所示。通过多传感系统进行对所采集到的膝关节角度、髋关节、压力等信息进行数据融合处理判定当前的步速、相位、路况，并传送给控制系统单元，从步速知识库中获取对应的摆动屈曲针阀开度，控制系统单元从而控制电机使得针阀到达指定位置。
本发明所研制的智能膝关节是利用液压油储能机制来实现步行原理的。为使假肢膝关节能够适应当前截肢者的步行速度，其核心控制是摆动期的阻尼开度的控制。由于不同步行速度下，下肢所需要的力矩不同，则对应不同速度下的针阀开度也存在差异，则需要建立步速的知识库。由于本研究通过步进电机的绝对运行步数即电机的绝对运行位置来表示针阀开度，故需要建立不同步速和摆动屈曲电机绝对运行位置的对应关系。
在目前建立步速知识库过程中，假肢技师和患者都需要花费大量的时间精力来建立不同步速下以及上/楼、平地、上/下坡等多种情况的知识库信息，知识的准确度完全依靠截肢患者本身的主观穿戴感觉，缺乏可靠的科学评价依据，由于每个患者的运动具有差异性，则建立的知识库也因人而异，不能与其他假肢穿戴者共享。同时由于行走步态会随着患者的年龄增长发生一定的变化，则早期花费大量精力建立的知识库就需要修正，因此完全依靠假肢技师的经验和患者穿戴假肢感受建立固定知识库的做法不符合截肢患者穿戴假肢的需求。
本发明通过对不同步速下步态特征分析，以正常人在不同速度下摆动过程中最大膝关节屈曲角度为65度作为步速自适应控制的控制目标，为知识库中的准确度增加评价标准，以步态周期时间来表征当前步速，通过迭代学习控制得到不同步速下的阻尼开度的对应关系，建立步速知识库，并可根据控制目标来不断完善和修改知识库，可大大缩短患者训练时间和降低假肢技师的工作强度。可在患者的训练阶段，记录不同步行速度下假肢穿戴者固有步行习惯所对应的液压缸摆动屈曲过程中针阀开度即步进电机的绝对运行位置，建立两者映射关系的知识库。当假肢处于日常生活中的使用阶段时，控制系统根据所检测到的步行速度提取知识库中对应的步进电机的运行位置以达到对应的阻尼控制。
由于在训练阶段中以及患者行走的过程中，由于第k个步态周期和第k+1个步态周期不会发生较大的突变。因此本研究设定了当两个步态周期时间Tk和Tk+1，当|Tk+1-Tk|<|Et|时,即当两个步态周期时间的差值的绝对值小于所设定的步态周期的误差阈值Et的绝对值时，将这两种步态周期时间看为同一个步行速度。也通过这种方式，将具有微小差别的步行速度归纳为一种步速，从而对步速进行间接分了档位。由于在平常的日常生活中患者的变速范围有限，该方式所设定的速度范围可以满足其日常步行的需要，不会因为步速分档即针阀开度值离散而感觉不适，另一方面也避免了因微小变化的步行速度导致电机频繁调整情况，可大大增加假肢的使用时长。
本发明采用P型迭代学习率Uk+1(t)＝Uk(t)+L*Ek(t)；其中Uk+1(t)为第k+1个周期计算得到的针阀开度，Uk(t)为第k个周期计算得到的针阀开度，L为比列系数，Ek(t)为设定最大膝关节屈曲角度与第k周期摆动期中最大膝关节屈曲角度的误差，所设定的最大膝关节屈曲角度为65度。当误差初步收敛到一定程度即|Ek(t)|<|Ea|时，此时系统误差趋向稳定收敛，可认为该误差精度满足控制需求，算法停止迭代学习，将得到的此步速下的针阀开度与当前的步态周期的时间T组成具有对应关系数据，保存到控制系统的EEPROM器件内，之后当检测到该步态周期时间T，就可找到对应的针阀开度进行控制摆动期阻尼。其中该算法中Ea为通过对正常人步态分析以及测试实验后所设定的误差阈值。此处设定的Ea为5度，Et为80ms，L＝0.01作为系数，可保证系统的收敛性。为提高步速知识库的准确度，让患者在跑步机按照设定的速度行走，最先设置最慢的速度行走，通过所开发的客户端来查看膝关节角度等运动学数据来决定是否切换跑步机的设定速度。以此方式，最终建立了步态周期与针阀开度的对应关系，即步速知识库，如表1所示。
表1
进入到假肢膝关节的应用阶段，如果知识库中没有当前的步速的对应关系，按照最靠近的步速对应的针阀开度来进行调控，然后进行迭代学习，直到误差在所设定的范围内，并记录该步态周期下的针阀开度，并存入单片机的内存中。因此，可以在使用过程中不断完善知识库。
Claims (2)
1.一种被动型液压膝关节假肢的控制方法，主控单元实时采集安置在残端和小腿倾斜处的惯性传感器，膝关节处的角度编码器，和安置在腿管末端的压力传感器，并对各传感器信息处理分析，进行步态相位识别、步行速度检测，并根据识别和检测结果确定伸展电机、屈曲电机当前需要的执行状态，并组成对应CAN报文指令发送给从控制单元，通过控制针阀开度位置调控假肢膝关节阻尼力矩，以实现阻尼调控；从控单元将电量、电机执行状态反馈给主控单元，同时主控单元实现与上位机进行数据通信的功能，其特征在于，通过获取压力信号和小腿倾斜角度信号组合来实现步态相位识别，将一个完整步态周期T分为支撑期和摆动期，即支撑相和摆动相；支撑期开始于脚后跟着地结束于脚前掌离地，摆动期开始于脚前掌离地结束于脚后跟着地，再对支撑期和摆动期细分状态阶段；根据不同状态阶段特点指定控制方案；
伸展电机控制方案固定不变，修改摆动屈曲过程中阻尼大小来改变摆动屈曲时间的方式来适应步速的需求；
建立不同步速和摆动屈曲电机绝对运行位置的对应关系，以步态周期时间来表征当前步速，通过迭代学习控制得到不同步速下的阻尼开度的对应关系，建立步速知识库，通过步进电机的绝对运行步数即电机的绝对运行位置来表示针阀开度；
所述迭代学习控制采用P型迭代学习率Uk+1(t)＝Uk(t)+L*Ek(t)；其中Uk+1(t)为第k+1个周期计算得到的针阀开度，Uk(t)为第k个周期计算得到的针阀开度，L为比列系数，Ek(t)为设定最大膝关节屈曲角度与第k周期摆动期中最大膝关节屈曲角度的误差，所设定的最大膝关节屈曲角度为65度；当误差初步收敛到一定程度即|Ek(t)|<|Ea|时，此时控制误差趋向稳定收敛，算法停止迭代学习，将得到的此步速下的针阀开度与当前的步态周期的时间T组成具有对应关系数据并保存；其中该算法中Ea为通过对正常人步态分析以及测试实验后所设定的误差阈值。
2.根据权利要求1所述被动型液压膝关节假肢的控制方法，其特征在于，所述惯性传感器安装位置使本体坐标系的Z轴与地心惯性坐标系的Z轴经过位置调整后两轴重合，所测的俯仰角为本体以地心惯性坐标系旋转轴所转过的角度，该俯仰角用来描述小腿的倾斜角度，且该角度输出范围大于小腿正常行走过程中倾斜角度范围，并经过数据校准处理后，俯仰角的0度为假肢处于垂直地面的位置；当全脚掌着地时，假肢膝关节与地面垂直，此时可得到小腿倾斜角度理论为0度，当脚后跟离地时，腿管位于膝关节所处的竖直轴的后方，则小腿倾斜角度为正；当脚后跟着地时，假肢膝关节在以膝关节处往下做的竖直轴的前方，则小腿倾斜角度为负；利用测得的俯仰角准确快速的区分开支撑期相位。
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