阅读说明：本技术 一种假肢膝关节控制方法 (Prosthetic knee joint control method ) 是由 张岩岭 玄利圣 李哲 于 2019-11-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种假肢膝关节控制方法,其特征在于,处理器建立假肢简化模型,根据安装在假脚上的压力传感器,采集地面支反力数据,再根据安装在假腿膝关节的角度传感器,得到膝关节转角数据；根据所述支反力数据和所述膝关节转角数据,对照步态数据库中的数据,所述处理器进行步态周期识别和运动状态识别；所述处理器根据运动状态识别,控制液压缸阻尼大小,改变假肢动作。本发明克服了气压缸支撑相时力矩不足的缺点,提出了假肢使用者在不同运动状态下的控制方法,让其能够更加自然的进行运动。(The invention discloses a prosthetic knee joint control method which is characterized in that a processor establishes a prosthetic simplified model, collects ground support reaction data according to a pressure sensor arranged on a prosthetic foot, and obtains knee joint corner data according to an angle sensor arranged on a prosthetic leg knee joint; according to the support reaction data and the knee joint corner data, contrasting data in a gait database, and carrying out gait cycle recognition and motion state recognition by the processor; the processor identifies according to the motion state, controls the damping size of the hydraulic cylinder and changes the action of the artificial limb. The invention overcomes the defect of insufficient moment when the pneumatic cylinder supports the phases, and provides a control method for the artificial limb user in different motion states, so that the artificial limb user can move more naturally.)

一种假肢膝关节控制方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种假肢膝关节控制方法。

背景技术

根据资料显示，因为疾病、交通事故、工伤、自然灾害等因素，大腿截肢患者人数逐年增加，对患者家庭及社会造成了很大的负担，而安装假肢可以让大腿截肢患者恢复行动能力。现在市场上的假肢一般为机械式假肢，通过提供固定阻尼，用机械结构运作让人带动假肢运动，十分不便。随着电子信息技术的发展，为了让假肢使用者的运动更方便，运用控制元件来动态调整关节动态以适应穿戴者行走状态的智能假肢随之产生。

目前存在着运用霍尔传感器和气缸阻尼的假肢膝关节的控制方法，该方法首先由假肢穿带者携带信号采集盒用来确定支撑相到摆动相控制的分界位置和假肢膝关节的锁死位置安装霍尔传感器。然后通过微处理器检测步态周期来判断步行速度，通过霍尔传感器判断步态时相，通过微处理器控制气腔针阀开度调整阻尼实现阻尼随步速进行调整。最后根据控制程序，在到达分界位置时，气腔针阀按照该步行速度下对应的开度值运动，到达锁死位置时，气腔针阀保持完全关闭，使阻尼到达最大值，将假肢膝关节锁死。但运用霍尔传感器的控制方法需要首先采集使用者的步态信息再进行传感器的安装，然后再进行控制，使用起来较为不便。它所使用的阻尼器为气缸阻尼器，由于气体比较容易压缩，无法提供较高的力矩，在支撑相期间很难达到理想的效果。而且所提供的控制方法仅是在平地上不同步速的控制方法，并未考虑上下坡、上下楼梯等其他典型运动状态。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷，本发明提供一种假肢膝关节控制方法，让智能假肢识别出假肢使用者的运动状态并提供所在运动状态所需要的阻尼，进行动态调节，让假肢使用者更加自然、灵活的进行运动。

本发明提供的一种假肢膝关节控制方法，其改进之处在于，处理器建立假肢简化模型，根据安装在假脚上的压力传感器，采集地面支反力数据，再根据安装在假腿膝关节的角度传感器，得到膝关节转角数据；根据所述支反力数据和所述膝关节转角数据，对照步态数据库中的数据，所述处理器进行步态周期识别和运动状态识别；所述处理器根据运动状态识别，控制液压缸阻尼大小，改变假肢动作。

其中，安装在假脚上的压力传感器包括：

安装在假脚前脚掌中心位置的第一压力传感器和安装在假脚后脚掌中心位置的第二压力传感器；

所述第一压力传感器和所述第二压力传感器均采用薄片式压电式压力传感器，将压力转为电压形式输出到所述处理器。

其中，所述处理器进行步态周期识别，将步态周期分为支撑相和摆动相，再进行运动状态识别，包括：

水平站立：膝关节转角约等于0°；前脚掌压力近似等于后脚掌压力；

上坡站立：膝关节转角约等于0°；前脚掌压力大于后脚掌压力；

下坡站立：膝关节转角约等于0°；前脚掌压力小于后脚掌压力；

站立到上坡运动：若以假肢为支撑腿，则前脚掌压力增大为原来2倍；若以健康腿为支撑腿，则假肢膝关节转角由0°增大，假脚离地后前脚掌压力和后脚掌压力为0；

站立到下坡运动：若以假肢为支撑腿，则前脚掌压力增大为原来2倍；若以健康腿为支撑腿，则假肢膝关节转角由0°增大，假脚离地后前脚掌压力和后脚掌压力为0；

站立到平地运动：若以假肢为支撑腿，则前脚掌压力增大为原来2倍；若以健康腿为支撑腿，则假肢膝关节转角由0°增大，假脚离地后前脚掌压力和后脚掌压力为0；

上坡运动到平地运动：支撑相膝关节转角约等于0°时，由前脚掌压力大于后脚掌压力变为前脚掌压力近似等于后脚掌压力；

平地运动到上坡运动：支撑相膝关节转角约等于0°时，由前脚掌压力近似等于后脚掌压力变为前脚掌压力大于后脚掌压力；

下坡运动到平地运动：支撑相膝关节转角约等于0°时，由前脚掌压力小于后脚掌压力变为前脚掌压力近似等于后脚掌压力；

平地运动到下坡运动：支撑相膝关节转角约等于0°时，由前脚掌压力近似等于后脚掌压力变为前脚掌压力小于后脚掌压力；

站立到上楼运动：膝关节转角由0°增大时，前脚掌压力大于0，后脚掌压力近似等于0；或者前脚掌压力远大于后脚掌压力；

站立到下楼运动：膝关节转角由0°增大时，前脚掌压力近似等于0，后脚掌压力大于0；或者前脚掌压力远小于后脚掌压力；

下楼运动到站立：支撑相膝关节转角约等于0°时，前脚掌压力和后脚掌压力差值的绝对值小于阈值；

上楼运动到站立：支撑相膝关节转角约等于0°时，前脚掌压力和后脚掌压力差值的绝对值小于所述阈值。

其中，所述处理器根据运动状态识别，控制液压缸阻尼大小，改变假肢动作，包括：

处理器发送信号至电机，控制液压缸内弯曲阻尼阀的打开面积：

平地行走时：以平地行走的阻尼阀面积为一个比较基准，支撑相时减小弯曲阻尼阀的流通面积以提供一个高弯曲阻尼，摆动相时增大弯曲阻尼阀面积以提供一个低弯曲阻尼；

上楼时：支撑相时关小弯曲阻尼阀至接近闭合以提供一个大的弯曲阻尼，摆动相时增大弯曲阻尼阀的流通面积到比平地行走时阻尼阀面积大以提供一个比平地行走时小的弯曲阻尼；

上坡时：支撑相时控制电机使弯曲阻尼阀打开至大于上楼时小于平地行走时的阻尼阀面积以提供一个比上楼时小比平地行走时大的弯曲阻尼，摆动相时减小弯曲阻尼阀至流通面积大于平地行走时而小于上楼时以提供一个比平地行走时小比上楼时大的弯曲阻尼；

下楼时：支撑相时控制电机使弯曲阻尼阀关小至上楼与上坡时阻尼阀大小之间以提供比上楼时小比上坡时大的弯曲阻尼，在摆动相时控制电机使弯曲阻尼阀面积比平地行走时阻尼阀面积小以提供一个比平地行走时大的弯曲阻尼；

下坡时：支撑相时控制电机使弯曲阻尼阀打开到比平地行走时小而比下楼时大以提供一个比下楼时小比平地行走时大的弯曲阻尼，摆动相时控制电机使弯曲阻尼阀面积比下楼时阻尼阀面积大比平地行走时阻尼阀面积小以提供一个比平地行走时大比下楼时小的弯曲阻尼。

其中，所述角度传感器采用旋变式传感器。具体包括BL29-R角度传感器。

其中，所述薄片式压电式压力传感器包括eTouch-ss压电薄膜传感器。

本发明的技术方案中，克服了气压缸支撑相时力矩不足的缺点，提出了假肢使用者在不同运动状态下的控制方法，让其能够更加自然的进行运动。

本发明根据压力传感器和角度传感器采集的数据，进行步态周期识别和运动状态识别，根据所处的运动状态与周期，处理器发送控制信号至电机，控制液压缸内阻尼阀打开面积来调节阻尼，实现自动控制假肢使假肢使用者以正常步态行走的效果。

本发明实施例结构简单，重量轻，减轻了假肢穿戴者的运动负担。本发明实施例装配简单，减少了装配人员的工作。本发明实施例无需在穿戴前进行长时间的采集数据，假肢使用者可以直接穿戴该假肢进行康复训练。

附图说明

图1为本发明实施例的假肢简化模型示意图；

图2为本发明实施例的运动状态识别转换示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。

本实施例提供的一种假肢膝关节控制方法，在于处理器建立假肢简化模型，根据安装在假脚上的压力传感器，采集地面支反力数据，再根据安装在假腿膝关节的角度传感器，得到膝关节转角数据；根据所述支反力数据和所述膝关节转角数据，对照步态数据库中的数据，所述处理器进行步态周期识别和运动状态识别；所述处理器根据步态周期和运动状态识别，控制液压缸阻尼大小，改变假肢动作。

具体的，本实施例建立的假肢简化模型如图1所示，假肢选择二连杆机构的单轴膝关节，结构简单，便于分析。假肢主体由二连杆机构和液压阻尼缸两部分组成，两连杆通过铰链连接，上连杆上有连接器用来与大腿残肢接受腔连接，下连杆可用小腿延长杆与假肢足部相连接，液压阻尼器两端分别于上下连杆连接。图中，杆a是大腿连接部分，杆b与杆c为二连杆机构，杆d为液压阻尼缸所在位置，小腿延长杆接在杆c的延长线上，角

为膝关节转角，杆a与杆b是固定的，所以角β为一个确定值，当膝关节运动时液压缸长度变化，杆d发生长度的变化，角

也随之变化，膝关节转角，假设大腿伸直时膝关节转角

为0°，在不同时期液压缸有着不同的阻尼。

建完模型后，处理器分别与压力传感器和角度传感器连接，接收两者采集的信号。压力传感器选择薄片式压电式压力传感器，具体包括eTouch-ss压电薄膜传感器。压电传感器受到某固定方向外力作用时，内部产生电极化现象，同时在两个表面上产生符号相反的电荷，受力所产生的电荷量与外力的大小成正比，受到压力后压电传感器输出电压。为保证所收集到的压力数据比较典型，将第一压力传感器和第二压力传感器分别安装在假脚的前后脚掌中心位置。运用角度传感器来测量膝关节转角，为保证测量的可靠性，选择旋变式传感器，具体为BL29-R角度传感器。

处理器根据压力传感器和角度传感器采集的数据，参照CGA步态数据库进行步态周期识别和运用传感器数据进行运动状态识别，具体包括：

一般情况下将步态周期分为支撑相与摆动相两部分，支撑相是开始于脚跟着地结束于脚尖离地的步行阶段，在此阶段支撑腿与地面接触，支撑相大约占单腿步态周期的60%。摆动相是开始于脚尖离地结束于脚跟着地的步行阶段，在此阶段人的腿向前移动为下一支撑相做准备，摆动相大约占单腿步态周期的40%。运用足底压力及膝关节转角角度，对照数据库即可完成运动中支撑相与摆动相的识别。

人在日常生活中的运动状态可以大致的分为站立、平地行走、上坡、下坡、上楼梯、下楼梯等，如图2所示建立一个有限状态机模型来表示不同运动状态的转换。运动时下不同运动模式转换需经过站立状态然后再进行切换，当检测到状态切换转换点时切换所使用的的控制方法。

将站立状态分为水平站立、上坡站立与下坡站立三个状态。当处于水平站立状态下时，膝关节伸直，膝关节转角约等于0°，水平站立时，前后脚掌对地压力近似相等，上坡站立状态下，膝关节转角与水平站立状态相同，身体重量大致主要分布在前脚掌，前脚掌对地压力大于后脚掌，下坡站立状态下，膝关节转角与水平站立状态相同，后脚掌对地压力大于前脚掌。

站立状态向上坡、下坡、平地行走的转换条件相同，以假肢为支撑腿则压力增大为原来2倍，或以健康腿为支撑腿，膝关节转角由0°增大，脚离地则前后脚掌对地压力为0。

上坡行走转为平地行走，检测上坡行走的支撑相，当膝关节转角约等于0°时，对地压力由前脚掌大于后脚掌变为前后脚掌对地压力近似相等，则状态改变。同理由平地行走转为上坡行走，在支撑相当膝关节转角约等于0°时，对地压力由前后脚掌近似相等变为前脚掌大于后脚掌。下坡行走转为平地行走，在支撑相当膝关节转角约等于0°时，对地压力由前脚掌小于后脚掌变为前后脚掌近似相等。平地行走转为下坡行走，在支撑相当膝关节转角约等于0°时，对地压力由前后脚掌近似相等变为前脚掌小于后脚掌。

上下坡与平地行走转为站立，当检测到支撑相后无下一摆动相后，可以判断人行走停止，再根据足底压力判断处于哪个站立状态。

站立转为上楼梯，由于假肢使用者在上楼梯过程中，基本上只有前脚掌踩在台阶上。当膝关节转角由0°增大，之后前脚掌有压力而后脚掌无压力或远小于前脚掌，则可判断状态改变。

上楼梯转为站立，在支撑相当膝关节转角约等于0°时，前后脚掌的压力差值小于阀值时即可判断状态改变，该阀值应大于平地行走时的压力差。

站立转为下楼梯，由于假肢使用者在下楼梯过程中，脚部踩在台阶边缘下楼梯，只有后脚掌着地。当后脚掌有压力，前脚掌无压力或远小于后脚掌时，即可判断状态改变。

下楼梯转为站立，在支撑相当膝关节转角约等于0°时，前后脚掌压力差值小于阀值时即可判断状态改变，该阀值与上楼梯时相同。

根据上述的步态周期识别和运动状态识别，处理器发送信号至电机，控制液压缸内弯曲阻尼阀的打开面积：

平地行走时：当处于支撑相时，要用电机减小弯曲阻尼阀的流通面积以提供一个高弯曲阻尼来提供足够的力矩来完成单腿支撑，在摆动相时要增大弯曲阻尼阀的面积以提供一个低弯曲阻尼使得膝关节转角能够快速的变化，以平地行走时的阻尼阀面积大小作为一个比较基准。

上楼梯时：当处于支撑相时，由于初入假肢单腿支撑时膝关节夹角较大，为了使身体向上需要一个很大的伸膝力矩，所以需要提供一个相当大的弯曲阻尼以提供所需的力矩来完成支撑，这时应关小弯曲阻尼阀至接近闭合，在摆动相时，由于需要克服重力做功，要提供一个比平地行走时小的弯曲阻尼使得假肢使用者用更小的力上楼，这时应增大弯曲阻尼阀的流通面积到比平地行走时面积大。

上坡时：当处于支撑相时，与上楼梯时情况类似，但所需力矩小一些，所以应控制电机使弯曲阻尼阀稍打开至大于上楼梯时小于平地行走时以提供一个比上楼梯时小比平地行走时大的弯曲阻尼，处于摆动相时，同样需要克服重力做功但比上楼梯时小，减小弯曲阻尼阀至流通面积稍大于平地行走时而小于上楼梯时以提供一个比平地行走时小比上楼梯时大的弯曲阻尼。

下楼梯时：当处于支撑相时，由于大角度承重发生在支撑末期，为了屈膝平衡，需要较大的力矩，所以控制电机使弯曲阻尼阀关小至上楼与上坡时阻尼阀大小之间以提供一个比上楼时小比上坡时大的的弯曲阻尼，在摆动相时，由于重力做功，人所需要用的力变小，控制弯曲阻尼阀比平地行走时面积小以提供一个比平地行走时大的弯曲阻尼。

下坡时：当处于支撑相时，与下楼梯时情况类似，但所需力矩小一些，所以应控制电机使弯曲阻尼阀打开到比平地行走时小而比下楼梯时大以提供一个比下楼梯时小比平地行走时大的弯曲阻尼，处于摆动相时，重力也做功但比下楼时小，控制弯曲阻尼阀比下楼梯时面积大比平地行走时面积小以提供一个比平地行走时大比下楼梯时小的弯曲阻尼。

综合比较一下不同运动状态时阻尼阀的流通面积，则当假肢处于支撑相时，弯曲阻尼阀打开面积大小：上楼<下楼<上坡<下坡<平地行走，液压缸阻尼大小：上楼>下楼>上坡>下坡>平地行走，当假肢处于摆动相时，弯曲阻尼阀打开面积大小：上楼>上坡>平地行走>下坡>下楼，液压缸阻尼大小：上楼<上坡<平地行走<下坡<下楼。

为准确确定阻尼阀的流通面积，本实施例在装配前需运用测试平台进行测试，测试平台是指安装了驱动电机模拟大腿小腿运动的设备，其可以提供静止时的竖直方向压力与模拟摆动相时人腿的摆动。控制竖直方向的力来模拟支撑相时假肢受力，减小阻尼阀面积至能够支撑起所受竖直方向力，将受力与阻尼阀面积对应。控制电机模拟人的运动来模拟摆动相时假肢受力，调整阻尼阀面积至摆动相运动满足其在整个步态周期的占比，则这个面积即为摆动相的阻尼阀打开面积，将运动情况与阻尼阀打开面积对应。

具体的，本实施例限定词说明如下：

所述转角约等于0°是指与0°的绝对差值不超过1°；

所述压力近似等于、近似相等是指差值小于5N；

所述大于或小于是指相减后绝对值大于百分之二人的体重；

所述阀值等于百分之一人的体重，具体由用户确定；

所述远大于是指商值大于5倍以上。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。