本發(fā)明屬于動(dòng)力假肢控制，具體涉及一種用于動(dòng)力大腿假肢自適應(yīng)變速的髖膝協(xié)同映射方法。

背景技術(shù)：

1、動(dòng)力大腿假肢是大腿截肢者恢復(fù)運(yùn)動(dòng)能力的重要設(shè)備。在目前研究中，最常用的控制動(dòng)力假肢的方法是基于有限狀態(tài)機(jī)(fsm)的阻抗控制。該方法根據(jù)關(guān)節(jié)角度、角速度或地面反作用力標(biāo)準(zhǔn)將整個(gè)步態(tài)周期劃分為4～5個(gè)階段，并對(duì)每個(gè)階段的阻抗參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。雖然該方法部署相對(duì)簡(jiǎn)單，但通常涉及20～30個(gè)控制參數(shù)，需要幾個(gè)小時(shí)的參數(shù)調(diào)優(yōu)。此外，必須針對(duì)不同的步態(tài)模式(如變速或變坡度)設(shè)計(jì)不同的有限狀態(tài)機(jī)。即使可以通過(guò)強(qiáng)化學(xué)習(xí)或者生物啟發(fā)的參數(shù)選擇方法減少特定步態(tài)階段或模式的參數(shù)調(diào)整工作量，控制參數(shù)仍然需要在不同的步態(tài)階段和模式之間切換。一旦步態(tài)階段被錯(cuò)誤識(shí)別，假肢不正確的運(yùn)動(dòng)有時(shí)會(huì)導(dǎo)致截肢者摔倒。因此，試圖尋求一種連續(xù)的、自適應(yīng)的控制方法是本領(lǐng)域技術(shù)人員的研究目標(biāo)。

2、實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制的一種方法是構(gòu)造一個(gè)隨整個(gè)步態(tài)周期的時(shí)間單調(diào)遞增的相位變量，這個(gè)相位變量可以代替時(shí)間。將預(yù)設(shè)關(guān)節(jié)軌跡表示成為相位變量的函數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)周期的連續(xù)位置控制，最常見(jiàn)的相位變量是髖關(guān)節(jié)角度與角速度相圖的極坐標(biāo)角度。運(yùn)用此方法可以使截肢者使用動(dòng)力膝踝假肢以不同的速度行走，只需要調(diào)整6個(gè)控制參數(shù)。然而，連續(xù)相位變量必須保證單調(diào)遞增，而大腿角速度較小的時(shí)刻使這一條件失效，這就導(dǎo)致相位變量的過(guò)程中也需要進(jìn)行分段，使控制過(guò)程不完全連續(xù)。如果可以直接建立髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)之間的直接映射關(guān)系，則可以省去構(gòu)造相位變量，使假肢膝關(guān)節(jié)的控制更加簡(jiǎn)單且連續(xù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提出一種用于動(dòng)力大腿假肢自適應(yīng)變速的髖膝協(xié)同映射方法，旨在解決當(dāng)前假肢運(yùn)動(dòng)控制的不連續(xù)、無(wú)法自適應(yīng)變速的問(wèn)題。

2、本發(fā)明提出的一種用于動(dòng)力大腿假肢自適應(yīng)變速的髖膝協(xié)同映射方法，使用歸一化的平移運(yùn)動(dòng)時(shí)滯后的髖關(guān)節(jié)角度作為輸入，歸一化的膝關(guān)節(jié)角度作為輸出，建立髖膝關(guān)節(jié)之間的映射關(guān)系。

3、本發(fā)明提出的用于動(dòng)力大腿假肢自適應(yīng)變速的髖膝協(xié)同映射方法，所述映射方法采用嵌入式系統(tǒng)和假肢協(xié)同控制框架實(shí)現(xiàn)，所述嵌入式系統(tǒng)包括imu、ad7606隔離模塊、信號(hào)放大器、六維力傳感器、關(guān)節(jié)編碼器和stm32微處理器，imu通過(guò)can端口與stm32微處理器連接，六維力傳感器的輸出端連接信號(hào)放大器的輸入端，信號(hào)放大口的輸出端連接ad7606隔離模塊的輸入端，ad7606隔離模塊的輸出端通過(guò)spi接口與stm32微處理器連接；關(guān)節(jié)編碼器的輸出端連接elmo驅(qū)動(dòng)器，elmo驅(qū)動(dòng)器通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，鋰電池通過(guò)分壓器分別連接電機(jī)和stm32微處理器；stm32微處理器連接電腦；假肢協(xié)同控制框架由協(xié)同映射生成器和pd力矩控制器組成；具體步驟如下：

4、(1)獲取健康用戶(hù)在不同步速下行走的運(yùn)動(dòng)軌跡；所述運(yùn)動(dòng)軌跡包括：髖關(guān)節(jié)角度和膝關(guān)節(jié)角度；

5、(2)建立髖關(guān)節(jié)到膝關(guān)節(jié)映射的基礎(chǔ)模型；所述基礎(chǔ)模型為：

6、

7、cm(v)＝b0m+b1mv，

8、其中：為根據(jù)膝關(guān)節(jié)最大值和最小值歸一化到-1～1之間的膝關(guān)節(jié)角度，θhip(v,t-τ)為根據(jù)髖關(guān)節(jié)最大值和最小值歸一化到-1～1之間的髖關(guān)節(jié)角度，τ為運(yùn)動(dòng)時(shí)滯參數(shù)，v為步速，單位為km/h；所述膝關(guān)節(jié)最大值和最小值設(shè)定為65°和-5°；所述髖關(guān)節(jié)最大值和最小值設(shè)定為35°和-20°；所述運(yùn)動(dòng)時(shí)滯參數(shù)為使髖關(guān)節(jié)角度在時(shí)間軸上向右平移的時(shí)間差；

9、(3)采用遍歷的方式搜尋運(yùn)動(dòng)時(shí)滯的值；在離散時(shí)間序列中，遍歷從0到一個(gè)步態(tài)周期的時(shí)間點(diǎn)數(shù)量的值為運(yùn)動(dòng)時(shí)滯的候選值，使髖關(guān)節(jié)角度序列在時(shí)間軸上平移以候選運(yùn)動(dòng)時(shí)滯為值的時(shí)間差，用最小二乘法的方式得到所述基礎(chǔ)模型中待求系數(shù)的具體數(shù)值，并且得到映射的膝關(guān)節(jié)角度，將映射角度與真實(shí)膝關(guān)節(jié)角度作pearson相關(guān)系數(shù)，循環(huán)以上過(guò)程，可以得到相關(guān)系數(shù)與候選運(yùn)動(dòng)時(shí)滯的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，取使相關(guān)系數(shù)最大的候選運(yùn)動(dòng)時(shí)滯為最終的運(yùn)動(dòng)時(shí)滯值；

10、(4)擬合運(yùn)動(dòng)時(shí)滯與步速和步態(tài)周期的線(xiàn)性模型；所述線(xiàn)性模型有以下具體形式：

11、τ＝a0+a1vt+a2t，其中v為步速，t為步態(tài)周期時(shí)長(zhǎng)；

12、將上述各個(gè)步速和步態(tài)周期下的步態(tài)對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)時(shí)滯作最小二乘擬合，得到a0,a1,a2的具體數(shù)值；所述線(xiàn)性模型在在線(xiàn)估計(jì)運(yùn)動(dòng)時(shí)滯時(shí)發(fā)揮作用；

13、(5)在嵌入式系統(tǒng)上部署所述基礎(chǔ)模型；imu對(duì)應(yīng)髖關(guān)節(jié)角度，ad7606隔離模塊、信號(hào)放大器和六維力傳感器對(duì)應(yīng)踝關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)編碼器對(duì)應(yīng)膝和踝關(guān)節(jié)，stm32微處理器的控制頻率設(shè)為100hz，在每個(gè)控制周期內(nèi)，stm32微處理器首先通過(guò)貼置在大腿前側(cè)的imu獲取髖關(guān)節(jié)角度；然后根據(jù)踝關(guān)節(jié)的六維力傳感器數(shù)據(jù)判斷假肢是否有腳跟著地動(dòng)作，如果有，則根據(jù)上一步態(tài)周期的時(shí)長(zhǎng)數(shù)據(jù)和估計(jì)步速數(shù)據(jù)，用步驟(4)中所述線(xiàn)性模型，估計(jì)當(dāng)前運(yùn)動(dòng)時(shí)滯，如果無(wú)，則使用上一控制周期的運(yùn)動(dòng)時(shí)滯作為當(dāng)前運(yùn)動(dòng)時(shí)滯；接著讀取當(dāng)前控制周期的第前n個(gè)周期的髖關(guān)節(jié)角度值，作為映射的輸入，經(jīng)過(guò)所述基礎(chǔ)模型，得到當(dāng)前時(shí)刻的映射膝關(guān)節(jié)角度；最后，將映射膝關(guān)節(jié)角度作為pd控制的參考角度，計(jì)算得到pd控制器得到控制力矩，轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)發(fā)送給電機(jī)，控制假肢膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。

14、本發(fā)明的有益效果在于：

15、(1)髖膝協(xié)同映射可以實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)角度的連續(xù)預(yù)測(cè)，無(wú)需分相，因此可實(shí)現(xiàn)假肢膝關(guān)節(jié)的連續(xù)控制；

16、(2)髖膝協(xié)同映射根據(jù)當(dāng)前步速和步態(tài)周期時(shí)長(zhǎng)自適應(yīng)調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)滯的大小，實(shí)現(xiàn)假肢膝關(guān)節(jié)的自適應(yīng)變速；

17、(3)髖膝協(xié)同映射的形式簡(jiǎn)單，對(duì)傳感需求小，對(duì)控制板的計(jì)算負(fù)擔(dān)小，能夠滿(mǎn)足假肢的實(shí)時(shí)控制需求；

18、(4)髖膝協(xié)同映射挖掘了人變速運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律，針對(duì)不同穿戴者無(wú)需調(diào)節(jié)映射參數(shù)，同時(shí)無(wú)需分相控制，相比于分相阻抗控制方式，大大減少了控制參數(shù)。

技術(shù)特征：

1.一種用于動(dòng)力大腿假肢自適應(yīng)變速的髖膝協(xié)同映射方法，其特征在于使用歸一化的平移運(yùn)動(dòng)時(shí)滯后的髖關(guān)節(jié)角度作為輸入，歸一化的膝關(guān)節(jié)角度作為輸出，建立髖膝關(guān)節(jié)之間的映射關(guān)系；所述映射方法采用嵌入式系統(tǒng)和假肢協(xié)同控制框架實(shí)現(xiàn)，所述嵌入式系統(tǒng)包括imu、ad7606隔離模塊、信號(hào)放大器、六維力傳感器、關(guān)節(jié)編碼器和stm32微處理器，imu通過(guò)can端口與stm32微處理器連接，六維力傳感器的輸出端連接信號(hào)放大器的輸入端，信號(hào)放大口的輸出端連接ad7606隔離模塊的輸入端，ad7606隔離模塊的輸出端通過(guò)spi接口與stm32微處理器連接；關(guān)節(jié)編碼器的輸出端連接elmo驅(qū)動(dòng)器，elmo驅(qū)動(dòng)器通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，鋰電池通過(guò)分壓器分別連接電機(jī)和stm32微處理器；stm32微處理器連接電腦；假肢協(xié)同控制框架由協(xié)同映射生成器和pd力矩控制器組成；具體步驟如下：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于動(dòng)力假肢控制領(lǐng)域，具體涉及一種用于動(dòng)力大腿假肢自適應(yīng)變速的髖膝協(xié)同映射方法。使用歸一化的平移運(yùn)動(dòng)時(shí)滯后的髖關(guān)節(jié)角度作為輸入，歸一化的膝關(guān)節(jié)角度作為輸出，建立髖膝關(guān)節(jié)之間的映射關(guān)系，本發(fā)明提出的映射可以實(shí)現(xiàn)變速場(chǎng)景下的膝關(guān)節(jié)角度的連續(xù)預(yù)測(cè)，無(wú)需分相；其兼具計(jì)算復(fù)雜度低和傳感需求小的優(yōu)勢(shì)，非常利于假肢的實(shí)時(shí)控制；同時(shí)該映射針對(duì)不同穿戴者無(wú)需調(diào)節(jié)映射參數(shù)，大大減少了調(diào)參的工作量。本發(fā)明方法提高了假肢與健肢步態(tài)的協(xié)同性，為假肢控制提供了一種全新的簡(jiǎn)單有效的方法。

技術(shù)研發(fā)人員：張曉旭,呂陽(yáng)
受保護(hù)的技術(shù)使用者：復(fù)旦大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8