智能假肢的控制系统研究

智能假肢的控制系统研究
宋丽涵;徐明铭
【摘要】随着智能控制技术、计算机技术、机械制造和传感器技术的快速发生,诞生了一种辅助运动装置即智能假肢,其协调控制能力直接影响了截肢患者的日常生活,目前常见的假肢包括半主动式假肢、被动式假肢和主动式假肢等,但是考虑到准确度、成本以及灵敏性等限制,智能性被动型假肢膝关节是最常见的类型。

文章通过对人体行走的步态特征和识别模式进行分析,介绍假肢膝关节和踝关节的结构以及控制气缸的工作原理,建立不同步速状态下的控制策略。

同时将手动控制调试系统和上位机调试模式结合起来,以临床模拟的方式验证人类行走步态,实现膝踝的协调控制。

【期刊名称】《太原学院学报：自然科学版》
【年(卷),期】2017(035)003
【总页数】5页(P22-26)
【关键词】智能假肢;步态识别;膝踝协调控制
【作者】宋丽涵;徐明铭
【作者单位】莆田学院机电工程学院,福建莆田351100
【正文语种】中文
【中图分类】TP2
引言
如何像正常人一样运动一直是截肢者关注的问题,智能假肢就是在人工智能技术、现代控制技术、生物医疗工程、计算机技术等多学科共同发展的背景下产生的最佳辅助器械。

目前,世界医疗器械市场中已经有比较丰富的智能假肢产品,但是多数产品侧重于膝关节的作用,良好实现膝踝关节协调运动的假肢还比较少,穿戴困难、易损坏、控制不协调等都是智能假肢控制中比较突出的问题。

因此,深入研究智能假肢的控制系统的实现模式对推进智能假肢的发展具有重要的理论与实践价值[1]。

1 下肢运动特征以及人体步态识别
1.1 运动特征
人体下肢运动具有非常强的协调性,下肢运动同时调动多个部分的力量,包括上肢、躯干、骨盆、下肢关节以及集群。

下肢运动同时依靠肌肉、中枢神经、骨骼和周围神经系统的作用实现协调运动。

下肢运动与上肢运动不同,它属于一种无意识的运动,具有可重复性、周期性和约束性,常见的下肢运动包括上下楼梯、平底行走等,这也是下肢运动障碍人群最大的辅助需求,是智能假肢的核心功能[2]。

平底行走是人类最普遍、最基本的腿部运动,行走过程中,健康人的运动步态是双腿不断交换向前,人体可以在保持平衡的基础上行走。

正常的步态周期包括两个阶段,分别是支撑期和摆动期。

支撑期是指下肢接触地面同时承担人体重力的过程,一只脚接触到地面到离开地面的时间即为支撑期,占整个步行周期的60%左右,支撑期发挥着非常重要的缓冲和关节伸展辅助作用。

双脚支撑阶段是步行周期中最为稳定的部分,延长支撑时间,降低运动速度是增加稳定性的关键。

摆动期是上肢在空中摆动的周期,是侧脚趾离地到脚跟着地的时间周期,占到整个步行周期的40%[3]。

不同人的运动周期是不同的,膝关节必须满足平底行走阶段的支撑期稳定,同时摆动期应与健肢侧摆动一致的要求。

假肢膝关节的储能和残肢的力矩大小决定了运动步速的调整,这也是一个摆动周期中最重要的控制要求,所以假肢的膝关节必须具有合适的机械结构。

对人体步态运动特征进行分析,进而掌握人类下肢运动的规律,其中步态周期、步相以及关节角度等是非常关键的分析参数,所以选择合适的步态特征非常关键。

一个步态周期是指从一侧脚跟着地到同侧脚跟着地的的过程,选择脚尖离地作为步态周期的起点,通过膝关节的角度信号来判断步相的变化。

θh、θk、θa分别代表的是人体髋关节、膝关节以及踝关节的运动角度。

在关节伸曲的过程中,关节是沿着冠状轴运动,骨骼相互接近,屈时θa减小,伸时θa会增加。

髋关节角度是指人体躯干纵轴和股骨纵轴之间的角度,当关节弯曲时θh为正,关节伸展时θh的角度为负值。

膝关节的角度是指胫骨纵轴平行线和股骨纵轴延长线之间形成的夹角,即θk,膝关节角度等于第五个跖骨及腓骨外中线的夹角减去九十度如图1所示。

图1 人体步态周期变化及下肢关节角度示意图
1.2 步态识别过程分析
1.2.1 传感器的选择
本文选择用霍尔传感器来进行人体运动步态识别,霍尔传感器的输出曲线如图2所示。

图2 霍尔传感器及输出特征
当外加磁感应强度超过动作点Bop时,传感器输出为低电平。

如果磁感应强度降低到Bop之下,那么传感器输出电平不变,直到电平降低到Brp时,传感器从低电平跃变到高电平。

Bop和Brp之间的滞后让开关动作具有更好的可靠性。

本文中采用的是EST248型号的霍尔传感器,相比较其他的霍尔传感器,EST248传感器具有非常良好的灵敏度,不区分S极和N极,正反都可以判断磁场,可以在低电压工作。

1.2.2 步态识别方法
利用霍尔传感器进行步态识别的基本原理如下:将磁体安装在假肢气缸的活塞上,活
塞的运动带动磁体上下往复运动,霍尔传感器安装在气缸的壁上。

假肢的运动会带
动气缸活塞上下运动,当活塞上的磁体接近传感器时,传感器能够感应到相应的磁场,然后从高电平跳变成低电平,通过对电平变化情况的分析来判断活塞的位置。

一个
步态周期中,气缸做往复运动,和不同步态和活塞运动位置之间是一一对应的关系,通过检测活塞位置即可以判断步态状态,霍尔传感器为识别运动位置提供信号。

要准
确的判断下肢运动步态,必须准确定位霍尔传感器的安装位置[4]。

确认霍尔传感器安装位置:行走步态分为膝关节伸展、脚跟着地、踝关节足平、摆
动期等几个时刻。

为了保证膝关节的安全性,当关节完全舒展的状态时活塞位置锁死,在此处安装霍尔传感器。

如果人的脚跟着地,假肢处于弯曲状态,那么霍尔传感器变为高电平。

脚掌处安装一个压力传感器,在假肢的膝关节安装角度传感器,验证不
同步速之下压力传感器信号上升时刻对应的膝关节角度,通过实验记录数据并进行
曲线拟合处理,经过曲线拟合之后获得函数关系,再根据膝关节活塞的位置和关节角
度曲线关系,得出踝关节足平时刻不同步速所对应的膝关节活塞位置。

通过曲线分析,发现步速范围在0.4 m/s-1m/s时,活塞位置的活动在2毫米左右,可以忽略不计。

因此,认定活塞在不同步速条件下踝关节足平时刻的位置不变,在此基础上判断足平
时刻的位置,即霍尔传感器位置。

2 膝踝协调控制方法
2.1 假肢膝关节结构
假肢的膝关节包括控制器、气缸、膝关节活塞、磁体、膝关节中的针阀、四连杆以及电机等部分组成。

小腿的假肢上固定气缸,摆杆的位置安装在膝关节和活塞杆上
部之间。

气缸内部的弹簧直接安装在摆杆上。

随着步态的变换,四连杆膝关节可以
模仿人的运动状态产生变化,能够实现与健康人的膝关节同样的功能。

膝关节内部
气缸重量比较轻,设计也相对简单,成本比较低。

2.2 假肢踝关节的结构
在智能假肢结构中,踝关节用于协调假肢的姿势,例如离地助推姿势、站立状态支撑、着地状态的缓冲等等。

踝关节的组成包括步进电机、活塞、针阀以及气缸等,针阀
主要是用于踝关节阻尼的控制。

气缸缸体两端连接的是小腿连杆和踝关节,缸体的
内部装设弹簧,能为落地提供一定缓冲力以及离地时的助推力,弹性系数可以根据体
重进行调整。

膝关节和踝关节都采用气缸连杆结构,气缸的两个气室之间连通,利用针阀连接和控制,通过针阀的运动来改变过流面积和阻尼。

因此,针阀的调节是控制关键,将步进电机与针阀连接,通过控制针阀上的弹簧调节步进电机直线运动模式,最终控制针阀的
上下运动。

2.3 智能假肢的膝踝协调控制
人步行是由一系列的运动环节组成,穿戴膝踝关节协调运动假肢后,运动状态是具有
非常明显的规律的,每个运动周期都按照既定状态推进,运动过程是支撑期——摆动期——支撑期的往复性运动。

每一个运动状态的行为都具有唯一性,触发运动状态
的条件也具有唯一性。

有效状态机控制方法就是在有限状态间、在既定条件下运动控制的方式,有限状态机的应用比较简单,可视化效果突出,因此本文选用有限状态机控制[5]。

图3 智能膝踝协调假肢控制结构示意图
有限状态机主要包括下肢运动步态的识别与控制,利用传感器感应步态的信息,识别
具体事件,进而触发步态的状态转移,处于不同状态时选择不同的控制模式,利用步态的控制判断步态规划结果,实现协调假肢控制如图3所示。

3 智能假肢的协调控制器设计
3.1 控制系统硬件设计
智能假肢膝踝控制器选用TI公司的MSP430单片机作为主控制器,有一块锂电池
供电,各个器件均选择低功耗产品,为了适应假肢器械的设计要求,电路板面积应符合要求,节省空间。

硬件部分的主要模块分为复位模块、传感器、外围通信、步进电机以及串口通信等。

控制电路的设计要满足三个基本条件:首先是外设尽可能的丰富,支持多接口。

其次是涉及电源管理模块,满足不同电压需求。

第三是具有良好的运算能力,满足实时处理要求。

复位电路设计:复位电路就是利用复位信号初始化微处理器,可以分为手动复位和上电复位两类。

本文中的复位电路采用上电复位的模式,当系统通电时,DVCC电压从无到有,RESET在保持低电平之后,通过电容接地,电平变为高电平,复位接口电平跳变到1,复位成功如图4所示。

图4 复位电路
电源模块设计:电池选用尼康公司的EN-EL12锂电池,容量为1050mAh,电压范围在2.7-4.2V之间。

电源模块分为充电电路和转换电路。

充电电路用于锂电池充电,转换电路则可以将锂电池电压转变为各个模块需要的电压。

选用TPS77001、LTC3426将锂电池电压分别转换为3V和5V。

TP4056为充电电路芯片。

转换模块和充电模块，如图5(a)、(b)、(c)所示。

图5(a) TPS77001
图5(b) LTC3426
图5(c) TP4056
图6 霍尔传感器信号调理电路
传感器模块:采用三个EST248型号霍尔传感器,识别膝踝假肢的步态信息,霍尔传感器提供5V的电压,磁场感应状态下输出0V电压,无磁场状态下输出3.7V电压。

单片机I/O口电平为TTL,高电平3V,相较于无磁场的电压更低,低电平是0V,所以要通过信号调理电路将无磁场状态下的电平降低到3V以下,其信号调理电路为图6所示。

步进电机驱动模块:此处选择的是海顿直线电机公司生产的2000系列的步进电机,
电机的额定步距角是15°,额定步长为0.0254毫米,额定电压5V,功耗为2.7W。

步
进电机每极一个绕组,改变绕组中的电流方向,可以改变电磁极性,底部安装有霍尔传感器,用来判断原点位置。

步进电机控制芯片为FAN8200D,驱动电路如图7所示。

图7 步进电机驱动电路
串口通信电路:PC上位机软件实践控制器参数控制,采用RS232通信,它不能与MSP430单片机直接联系,所以需要设计电平转换电路。

串口通信电路原理图如图
8所示。

图8 串口通信电路原理图
红外通信模块:该模块的功能是实现遥控功能,利用红外线传输的方式远程调整参数。

数据通信模块就是要在两个不同设备间建立的无线数据传输模式,选用波长在
0.75μm到25μm之间的近红外线。

选用HSDL-7001进行红外脉冲编码与
RS232串口通信之间的转换,完成数据编码和解码。

选用HSDL-3201芯片完成编
码发送给MSP430单片机。

3.2 控制系统软件设计
主程序功能包括上电后的初始化工作,例如电路初始化、时钟的配置等,经过初始化
之后控制器将进入低耗能状态,等待下一个中断。

如果发生中断,则开始执行中断程序。

在终端程度结束之后,继续返回终端之前的低耗状态,主程序的流程图如图9所示。

图9 主程序流程图
在系统上电之后,首先关闭看门狗,避免CPU复位,然后配置时钟,设置DCO为
1MHz,此刻的端口频率为1MHz,能够满足控制算法的时钟频率要求。

P1、P2、P4为外围模块端口,看门狗定时器WDT,通信模块USARTO。

将端口P1和P4设置为输出模式,提供步进电机控制脉冲,端口P2为可中断模式。

定时器1允许终端,为
Up计数模式,时钟源为SMCLK,定时器2为增减计数模式,允许终端,控制电机。

USARTO为UART模式,波特率9600bps,能收发中断,选择时钟源SMCLK,用于实现上位机和红外遥控的通信。

ADC10模数转换模块具有8个外部输入通道,选用
A6通道,单通道单次转换,采用脉冲采样模式,时钟源为SMCLK,时间为3.3微秒,可以用来测试电池的电量。

完成模块初始化之后,总中断打开,主程序结束之后,系统进入低耗能状态,等待中断信号。

4 总结
目前多数智能假肢系统存在步态不协调、易损坏、能耗高的问题,智能膝踝协调控制能够有效补偿运动功能。

智能膝踝假肢将智能膝关节控制与踝关节控制结合起来,有效提升步态跟随特性,在一定程度上促使假肢运动自然化。

本文在分析步态行走特征的基础上,研究膝关节和踝关节的结构和不同步态下的控制方法,并设计软硬件模块,实现控制功能,对提升膝踝关节控制具有一定的现实意义。

【相关文献】
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