假肢膝關節運動的控制方法
2023-05-18 00:03:16 2
專利名稱：假肢膝關節運動的控制方法
技術領域：
本發明的技術方案涉及假肢膝關節，具體地說是假肢膝關節運動的控制方法。
背景技術：
對於下肢截肢者而言，安裝具有代償運動功能的假肢是恢復行動能力的重要手段。目前市場上現有的假肢膝關節產品的控制方法大多是通過調整假肢膝關節的阻力，即在假肢膝關節屈曲和伸展的方向上阻礙關節運動的力，來調整假肢膝關節的運動。調整假肢膝關節阻力的方法可以分為手動調節和自動調節兩種方式。手動調節方式為通過手動方式改變膝上假肢膝關節的阻力，阻力調整之後，在一定狀態下阻力保持近似恆定，步速單一，跟隨性差，適應性較差；自動調節方式為通過機械結構或者電子裝置等非人力手段來改變假肢膝關節的阻力，採用電子裝置檢測步態特徵，根據一定的控制方法來自動調整假肢膝關節的阻力，可以隨著步行狀態的變化實時調整假肢膝關節阻尼來達到改進步態跟隨性和對稱性的作用，適應性較好。多軸機構假肢膝關節指的是採用多個連杆相連接的方式來實現假肢膝關節的彎曲伸展功能，相對於傳統的單軸假肢膝關節具有諸多的優勢a.假肢膝關節的瞬心並非固定，而是可以隨假肢膝關節彎曲角的變化而變化，能有效地模擬正常人膝關節的運動； b.在擺動相能有效地縮短假肢的長度，避免與地面障礙物碰撞；C.能有效地提高支撐相的穩定性。但是現有技術中沒有涉及針對多軸假肢膝關節運動的專門控制方法，也沒有將信息源臨界值的選取與步行速度相聯繫。CN 921U993.9公開了 「在膝上假肢中控制人造膝關節動作的系統」，CN 200780016492. 1公開了「具有可調阻尼的被動膝關節的控制」。這些現有技術都是基於對角度傳感器的控制，沒有涉及具體的多軸假肢膝關節運動的專門控制方法，也沒有針對多軸假肢膝關節的角度信息獲取的方法，並且將角度傳感器應用於多軸關節又產生了轉軸角度與假肢膝關節彎曲角度對應的雙值問題，使問題變得複雜化。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供假肢膝關節運動的控制方法，是一種基於霍爾傳感器的在不同步速情況下具有可調阻尼的四連杆膝上假肢膝關節運動的控制方法，將信息源臨界值的選取與步行速度相聯繫，克服了現有技術中沒有多軸假肢膝關節運動的專門控制方法，也沒有將信息源臨界值的選取與步行速度相聯繫的缺點。本發明解決該技術問題所採用的技術方案是假肢膝關節運動的控制方法，步驟如下第一步，安裝假肢膝關節的控制部件所用假肢膝關節的控制部件包括四連杆膝上假肢膝關節本體和傳感器部分，其中四連杆膝上假肢膝關節本體由四連杆機構、氣缸缸體、氣缸活塞、內嵌於氣缸活塞中的磁體、氣腔針閥、步進電機和微控制器構成，傳感器部分包括兩個霍爾傳感器、腳底壓力傳感器和角度傳感器，四連杆膝上假肢膝關節本體按照公知的方法安裝於假肢穿帶者的肢體上，通過假肢穿帶者攜帶的可攜式信號採集盒採集假肢穿帶者的步行速度和在不同步速下腳尖離地時刻的假肢膝關節彎曲角度即由支撐相向擺動相過渡時刻的角度的信息，並採用二次函數對採集的步行速度與腳尖離地時刻的假肢膝關節彎曲角度信息進行曲線擬合，得到步行速度與腳尖離地時刻假肢膝關節彎曲角度之間關係的計算公式y =-5. 51x2+13. 13X+37. 88，該式中y為假肢膝關節彎曲角度，χ為步行速度，然後根據假肢膝關節彎曲角度和氣缸活塞位置的曲線關係計算出氣缸活塞位置，氣缸活塞位置與假肢膝關節彎曲角度關係的計算公式為y = -0. 22X2+5. 78X+0. 36，該式中y是氣缸活塞位置，χ是假肢膝關節彎曲角度，由此計算出在不同步行速度下腳尖離地時刻的假肢膝關節彎曲角度對應的氣缸活塞的具體位置，即假肢穿帶者在當前步行速度下腳尖離地時刻的氣缸活塞位置，並以此位置作為假肢穿帶者在該步行速度下由支撐相到擺動相控制的分界位置，也就是說此時氣缸活塞運動至由支撐相到擺動相的分界位置，將此位置設為0mm，在此位置的氣缸缸體外壁安裝一個霍爾傳感器，當假肢穿帶者在同一步行速度下，假肢膝關節完全伸展時即假肢穿帶者呈站立狀態時的氣缸活塞的位置作為假肢膝關節鎖死位置，相對於上述 Omm位置此位置設為21mm，在此位置的氣缸缸體外壁安裝另一個霍爾傳感器，腳底壓力傳感器安置在假肢穿帶者的前腳掌處，角度傳感器安置在假肢膝關節轉動軸處；第二步，假肢膝關節運動的控制方法的設計(2. 1)通過微控制器檢測假肢穿帶者的步態周期進而判斷步行速度用內嵌於假肢膝關節外壁上的微控制器連續檢測假肢穿帶者的步態周期，並與微控制器中已存儲的各段步速的周期臨界值進行比較，從而判斷步速的大小；(2. 2)通過霍爾傳感器判定步態時相通過安置在上述的Omm位置和21mm位置的氣缸缸體外壁上的霍爾傳感器分別判定人體步態的支撐相即從腳跟著地到腳尖離地的階段和擺動相即從腳尖離地到腳跟著地的階段；(2. 3)通過微控制器控制氣腔針閥開度，調整氣缸缸體內產生的阻尼從而實現步速調整微控制器控制假肢膝關節的步進電機改變氣腔針閥的開度，開度即推動氣腔針閥運動的步進電機的運行步數，當測得假肢的步態周期大於周期臨界值時，說明步速在減慢， 取當前步態周期所對應的氣腔針閥開度值作為步進電機的調整值，實現步速的下調，當測得假肢的步態周期小於周期臨界值時，說明步速在加快，取當前步態周期所對應的氣腔針閥開度值作為步進電機的調整值，實現步速的上升；氣缸缸體內的阻尼是隨著氣腔針閥開度的變化而變化的，當氣腔針閥開度減小時，氣缸缸體內產生的阻尼增大；當氣腔針閥開度增大時，氣缸缸體內產生的阻尼減小；在支撐相時，阻尼調整至最大，在擺動相時，將氣腔針閥開度調整至微控制器中已儲存的相應步行速度下的值，這樣在不同步行速度下氣缸缸體內的阻尼也不同，假肢擺動速度也不同，達到步行速度調整的目的；通過調整氣腔針閥開度找出假肢穿帶者在不同步行速度下的最合適的氣腔針閥開度值，建立步行速度與氣腔針閥開度之間的對應的經驗知識庫；第三步，假肢膝關節運動的控制方法的實施在完成上述兩步後，讓假肢穿帶者正常行走，在行走過程中，根據設計好的控制程序流程，首先檢測步態時相，當氣缸活塞運動至由支撐相到擺動相的分界位置即安裝在Omm處的霍爾傳感器的位置時，內嵌於氣缸活塞中的磁體引起該霍爾傳感器輸出信號發生改變，即認為到達擺動相，氣腔針閥按照該步行速度下對應的開度值運動；當氣缸活塞運動至假肢膝關節鎖死位置即安裝在21mm處的霍爾傳感器位置時，即認為假肢膝關節完全伸展進入支撐期，氣腔針閥保持完全關閉，使阻尼達到最大值，然後將假肢膝關節鎖死，提高支撐相穩定性。上述假肢膝關節運動的控制方法，所述控制程序流程是 開始一檢測霍爾判斷時相一
是否進入擺動相A打開針閥開度一返回檢測霍爾判斷時相；i是否進入支撐相I 關死針閥一返回檢測霍爾判斷時相;i返回檢測霍爾判斷時相。上述假肢膝關節運動的控制方法，所述氣缸缸體外壁安裝的兩個霍爾傳感器，其安置方法是在假肢膝關節的氣缸缸體外壁上有已設計好的兩個凹槽，兩個霍爾傳感器正好分別嵌入兩個凹槽中並使用固體膠固定。上述假肢膝關節運動的控制方法，所涉及到的元器件均為本技術領域所公知的， 並通過商購獲得。其中，所用霍爾傳感器的型號是3144型，所述可攜式信號採集盒是由 Thought Technology公司生產的，所述微控制器以單片機MSP430F2274為核心。本發明的有益效果是人體步態時相分為如圖7所示的支撐相和擺動相兩個階段。支撐相是指從腳跟著地到腳尖離地的階段，擺動相是指從腳尖離地到腳跟著地的階段。 為了滿足在不同截肢情況和不同步行習慣的假肢穿帶者的步行要求，本發明方法採集其在不同步行速度下腳尖離地時刻的多軸機構假肢膝關節彎曲角度，即由支撐相向擺動相過渡時刻的假肢膝關節彎曲角度，並將採集到的離散值進行曲線擬合，得出在不同步行速度下， 劃分支撐相到擺動相的標準的四連杆機構假肢膝關節彎曲角度，並依據此四連杆機構假肢膝關節彎曲角度與假肢膝關節氣缸缸體內氣缸活塞位置的關係曲線，計算出氣缸活塞的具體位置，並以此位置作為由支撐相到擺動相的分界位置，在此位置安裝一個霍爾傳感器，同時為了保證支撐相假肢膝關節的安全性，在假肢膝關節完全伸展即站立狀態時的氣缸活塞位置作為假肢膝關節鎖死位置，在此處安裝另一個霍爾傳感器。本發明方法使用霍爾傳感器大大簡化了測量系統的檢測難度，也避免了使用角度傳感器而產生的轉軸角度與假肢膝關節彎曲角度對應的雙值問題以及角度傳感器容易磨損的問題，同時也消除了轉軸角度信號中的多值問題，再加上結合有效的控制方法，本發明方法將信息源臨界值的選取與步行速度相聯繫，克服了現有技術中沒有多軸假肢膝關節運動的專門控制方法，也沒有將信息源臨界值的選取與步行速度相聯繫的缺點，充分發揮了多軸機構假肢膝關節中的多軸機構的優勢，提高了多軸假肢膝關節的性能。
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。圖1是本發明假肢膝關節運動的控制方法中控制部件的傳感器部分器件安置示意圖。圖2是本發明假肢膝關節運動的控制方法中四連杆膝上假肢膝關節本體的結構示意圖。圖3是本發明假肢膝關節運動的控制方法中的霍爾傳感器3144型外形示意圖。
圖4是人體步態時相示意圖。圖5是本發明實施例1中的假肢膝關節彎曲角度與氣缸活塞位置的關係曲線圖。圖6是本發明實施例1中的步行速度與腳尖離地時刻假肢膝關節彎曲角度之間的關係曲線圖。圖7是本發明實施例1中的氣缸活塞位置與步行速度的關係曲線圖。圖8是本發明的控制程序流程圖。圖中，la.霍爾傳感器，lb.霍爾傳感器，2.腳底壓力傳感，3.角度傳感器，4.四連杆機構，5.氣缸缸體，6.氣缸活塞，7.內嵌於氣缸活塞中的磁體，8.氣腔針閥，9.步進電機， 10.微控制器。
具體實施例方式圖1所示實施例表明，本發明假肢膝關節運動的控制方法中控制部件的傳感器部分器件包括霍爾傳感器la、霍爾傳感器lb、腳底壓力傳感器2和角度傳感器3，一個霍爾傳感器Ia安裝在氣缸活塞6(圖1中未能顯示)運動至由支撐相到擺動相的分界位置的氣缸缸體5的外壁上，另一個霍爾傳感器Ib安裝在假肢膝關節完全伸展即站立狀態時氣缸活塞 6(圖1中未能顯示)的位置對應的氣缸缸體5的外壁上，腳底壓力傳感2安置在假肢穿帶者的前腳掌處，角度傳感器3安置在假肢膝關節轉動軸處。圖2所示實施例表明，本發明假肢膝關節運動的控制方法中的四連杆膝上假肢膝關節本體由四連杆機構4、氣缸缸體5、氣缸活塞6、內嵌於氣缸活塞中的磁體7、氣腔針閥8、 步進電機9和微控制器10構成。霍爾傳感器Ia和霍爾傳感器Ib分別貼在氣缸缸體5的外壁相對於氣缸活塞6的不同位置，其安置方法是在假肢膝關節的氣缸缸體5外壁上有已設計好的兩個凹槽(圖2中未能顯示)，霍爾傳感器Ia和霍爾傳感器Ib正好分別嵌入兩個凹槽中並使用固體膠固定，微控制器10內嵌於假肢膝關節外壁上並用螺釘固定，正好覆蓋在兩個霍爾傳感器上方。圖3所示實施例表明，本發明假肢膝關節運動的控制方法中所用霍爾傳感器的型號是3144型，其三個引腳從左到右依次是電源端VCC、輸出端OUT和接地端GAND。圖4表明，人體步態時相分為支撐相和擺動相兩個階段支撐相是指從腳跟著地到腳尖離地的階段，擺動相是指從腳尖離地到腳跟著地的階段。實施例1四連杆膝上假肢膝關節的假肢穿帶者的情況為男，23歲，身高170cm，體重6^g， 穿戴假肢膝關節3年。該假肢穿帶者的假肢膝關節運動的控制方法，步驟如下第一步，安裝假肢膝關節的控制部件所用四連杆膝上假肢膝關節本體的構造為上述圖2所示實施例，包括四連杆機構 4、氣缸缸體5、氣缸活塞6、內嵌於氣缸活塞中的磁體7、氣腔針閥8、步進電機9和微控制器 10。四連杆膝上假肢膝關節本體按照公知的方法安裝於假肢穿帶者的肢體上，通過假肢穿帶者攜帶的可攜式Thought Technology公司的信號採集盒採集假肢穿帶者的步行速度和在當前步速下腳尖離地時刻的假肢膝關節彎曲角度即由支撐相向擺動相過渡時刻的角度的信息，並採用二次函數對採集的步行速度與腳尖離地時刻的假肢膝關節彎曲角度信息進行曲線擬合，繪製出如圖6所示的本實施例的步行速度與腳尖離地時刻假肢膝關節彎曲角度之間的關係曲線圖，並由此得到步行速度與腳尖離地時刻假肢膝關節彎曲角度之間關係的計算公式y = -5. 51x2+13. 13x+37. 88，該式中y為假肢膝關節彎曲角度，χ為步行速度，然後根據假肢膝關節彎曲角度和氣缸活塞6位置的曲線關係(見圖5所示的本實施例的假肢膝關節彎曲角度與氣缸活塞位置的關係曲線圖)計算出氣缸活塞6位置，氣缸活塞6位置與假肢膝關節彎曲角度的關係計算公式為y = -0. 22X2+5. 78X+0. 36，該式中y是氣缸活塞位置，χ是假肢膝關節彎曲角度，由此計算出在不同步行速度下腳尖離地時刻的假肢膝關節彎曲角度對應的氣缸活塞6的具體位置，即假肢穿帶者在當前步行速度下腳尖離地時刻的氣缸活塞6位置，並以此位置作為假肢穿帶者在該步行速度下由支撐相到擺動相控制的分界位置，也就是說此時氣缸活塞6運動至由支撐相到擺動相的分界位置，將此位置設為0mm，在此位置的氣缸缸體5外壁安裝一個霍爾傳感器la，當假肢穿帶者在同一步行速度下，假肢膝關節完全伸展時即假肢穿帶者呈站立狀態時的氣缸活塞6的位置作為假肢膝關節鎖死位置，相對於上述Omm位置此位置設為2 Imm,在此位置的氣缸缸體5外壁安裝另一個霍爾傳感器lb，腳底壓力傳感器2安置在假肢穿帶者的前腳掌處，角度傳感器3安置在假肢膝關節轉動軸處。上述控制部件中的傳感器部分安裝的位置如上述實施例1所示，一個霍爾傳感器 Ia安裝在氣缸活塞6運動至由支撐相到擺動相的分界位置的氣缸缸體5外壁的凹槽中並使用固體膠粘貼固定，另一個霍爾傳感器Ib安裝在假肢膝關節完全伸展即站立狀態時氣缸活塞6的位置對應的氣缸缸體5外壁的凹槽中並使用固體膠粘貼固定，腳底壓力傳感2安置在假肢穿帶者的前腳掌處，角度傳感器3安置在假肢膝關節轉動軸處，微控制器10內嵌於假肢膝關節外壁上並用螺釘固定，正好覆蓋在兩個霍爾傳感器上方。本實施例中，霍爾傳感器具體的安裝位置計算如下步行速度與假肢膝關節彎曲角度之間關係的計算公式y =-5. 51x2+13. 13x+37. 88，假肢膝關節彎曲角度與氣缸活塞位置關係的計算公式為y = -0. 22X2+5. 78X+0. 36下面是測得的一些數據
權利要求
1.假肢膝關節運動的控制方法，其特徵在於步驟如下 第一步，安裝假肢膝關節的控制部件所用假肢膝關節的控制部件包括四連杆膝上假肢膝關節本體和傳感器部分，其中四連杆膝上假肢膝關節本體由四連杆機構、氣缸缸體、氣缸活塞、內嵌於氣缸活塞中的磁體、氣腔針閥、步進電機和微控制器構成，傳感器部分包括兩個霍爾傳感器、腳底壓力傳感器和角度傳感器，四連杆膝上假肢膝關節本體按照公知的方法安裝於假肢穿帶者的肢體上，通過假肢穿帶者攜帶的可攜式信號採集盒採集假肢穿帶者的步行速度和在不同步速下腳尖離地時刻的假肢膝關節彎曲角度即由支撐相向擺動相過渡時刻的角度的信息，並採用二次函數對採集的步行速度與腳尖離地時刻的假肢膝關節彎曲角度信息進行曲線擬合，得到步行速度與腳尖離地時刻假肢膝關節彎曲角度之間關係的計算公式y =-5. 51x2+13. 13X+37. 88，該式中y為假肢膝關節彎曲角度，χ為步行速度，然後根據假肢膝關節彎曲角度和氣缸活塞位置的曲線關係計算出氣缸活塞位置，氣缸活塞位置與假肢膝關節彎曲角度關係的計算公式為y = -0. 22X2+5. 78X+0. 36，該式中y是氣缸活塞位置，χ是假肢膝關節彎曲角度，由此計算出在不同步行速度下腳尖離地時刻的假肢膝關節彎曲角度對應的氣缸活塞的具體位置，即假肢穿帶者在當前步行速度下腳尖離地時刻的氣缸活塞位置，並以此位置作為假肢穿帶者在該步行速度下由支撐相到擺動相控制的分界位置，也就是說此時氣缸活塞運動至由支撐相到擺動相的分界位置，將此位置設為0mm，在此位置的氣缸缸體外壁安裝一個霍爾傳感器，當假肢穿帶者在同一步行速度下，假肢膝關節完全伸展時即假肢穿帶者呈站立狀態時的氣缸活塞的位置作為假肢膝關節鎖死位置，相對於上述 Omm位置此位置設為21mm，在此位置的氣缸缸體外壁安裝另一個霍爾傳感器，腳底壓力傳感器安置在假肢穿帶者的前腳掌處，角度傳感器安置在假肢膝關節轉動軸處； 第二步，假肢膝關節運動的控制方法的設計 (2. 1)通過微控制器檢測假肢穿帶者的步態周期進而判斷步行速度用內嵌於假肢膝關節外壁上的微控制器連續檢測假肢穿帶者的步態周期，並與微控制器中已存儲的各段步速的周期臨界值進行比較，從而判斷步速的大小； (2. 2)通過霍爾傳感器判定步態時相通過安置在上述的Omm位置和21mm位置的氣缸缸體外壁上的霍爾傳感器分別判定人體步態的支撐相即從腳跟著地到腳尖離地的階段和擺動相即從腳尖離地到腳跟著地的階段；(2. 3)通過微控制器控制氣腔針閥開度，調整氣缸缸體內產生的阻尼從而實現步速調整微控制器控制假肢膝關節的步進電機改變氣腔針閥的開度，開度即推動氣腔針閥運動的步進電機的運行步數，當測得假肢的步態周期大於周期臨界值時，說明步速在減慢，取當前步態周期所對應的氣腔針閥開度值作為步進電機的調整值，實現步速的下調，當測得假肢的步態周期小於周期臨界值時，說明步速在加快，取當前步態周期所對應的氣腔針閥開度值作為步進電機的調整值，實現步速的上升；氣缸缸體內的阻尼是隨著氣腔針閥開度的變化而變化的，當氣腔針閥開度減小時，氣缸缸體內產生的阻尼增大；當氣腔針閥開度增大時，氣缸缸體內產生的阻尼減小；在支撐相時，阻尼調整至最大，在擺動相時，將氣腔針閥開度調整至微控制器中已儲存的相應步行速度下的值，這樣在不同步行速度下氣缸缸體內的阻尼也不同，假肢擺動速度也不同，達到步行速度調整的目的；通過調整氣腔針閥開度找出假肢穿帶者在不同步行速度下的最合適的氣腔針閥開度值，建立步行速度與氣腔針閥開度之間的對應的經驗知識庫；第三步，假肢膝關節運動的控制方法的實施在完成上述兩步後，讓假肢穿帶者正常行走，在行走過程中，根據設計好的控制程序流程，首先檢測步態時相，當氣缸活塞運動至由支撐相到擺動相的分界位置即安裝在Omm處的霍爾傳感器的位置時，內嵌於氣缸活塞中的磁體引起該霍爾傳感器輸出信號發生改變， 即認為到達擺動相，氣腔針閥按照該步行速度下對應的開度值運動；當氣缸活塞運動至假肢膝關節鎖死位置即安裝在21mm處的霍爾傳感器位置時，即認為假肢膝關節完全伸展進入支撐期，氣腔針閥保持完全關閉，使阻尼達到最大值，然後將假肢膝關節鎖死，提高支撐相穩定性。
2.權利要求1所述假肢膝關節運動的控制方法，所述控制程序流程是開始一檢測霍爾判斷時相一是否進入擺動相i打開針閥幵度一返回檢測霍爾判斷時相;i是否進入支撐相I關死針閥一返回檢測霍爾判斷時相；t返回檢測霍爾判斷時相，
3.權利要求1所述假肢膝關節運動的控制方法，所述氣缸缸體外壁安裝的兩個霍爾傳感器，其安置方法是在假肢膝關節的氣缸缸體外壁上有已設計好的兩個凹槽，兩個霍爾傳感器正好分別嵌入兩個凹槽中並使用固體膠固定。
全文摘要
本發明假肢膝關節運動的控制方法，涉及假肢膝關節，步驟是安裝假肢膝關節的控制部件，包括四連杆膝上假肢膝關節本體和傳感器部分，在氣缸活塞運動至由支撐相到擺動相的分界位置安裝一個霍爾傳感器，在氣缸活塞運動至假肢膝關節鎖死位置安裝另一個霍爾傳感器；通過微控制器檢測假肢穿帶者的步態周期進而判斷步行速度，通過霍爾傳感器判定步態時相，通過微控制器控制氣腔針閥開度，調整氣缸缸體內產生的阻尼從而實現步速調整；最後讓假肢穿帶者正常行走，在擺動相，氣腔針閥按照該步行速度下對應開度值運動，進入支撐期後，氣腔針閥保持完全關閉，使阻尼達到最大值，然後將假肢膝關節鎖死；克服了現有技術沒有多軸假肢膝關節運動控制方法的缺點。
文檔編號A61F2/70GK102512270SQ20111045653
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月31日 優先權日2011年12月31日
發明者嶽華, 楊鵬, 王蒙, 耿豔利, 陳玲玲 申請人:河北工業大學