CN101947151B - 一种基于动力膝下假肢的步态识别方法 - Google Patents

一种基于动力膝下假肢的步态识别方法 Download PDF

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本发明涉及一种基于动力膝下假肢的步态识别方法，其包括以下步骤：1)首先在动力膝下假肢的相应位置安装传感器；2)当H＝1，同时FH＞FPH且
Figure DSA00000250080600011
时，踝关节进入被动跖屈阶段；3)当T＝1时，被动跖屈阶段结束，踝关节进入被动背屈阶段，此时踝关节向前转动，直到踝关节达到前向最大角度或H＝0时为止；4)当H＝0，Tankle＞τpp且
Figure DSA00000250080600012
时，踝关节进入主动跖屈阶段；5)当θtoe＜0时，脚趾关节进入到被动背屈阶段；6)当FT＞FPT时，脚趾关节进入到主动跖屈阶段，这时脚趾关节开始向下转动；7)当踝关节和脚趾关节达到指定角度或者T＝0时，主动跖屈阶段结束，脚离地进入摆动期；摆动期，踝关节和脚趾关节各自恢复到平衡状态。本发明提出了一种新的且同时含有动力踝关节和动力脚趾关节的步态识别方法。

Description

一种基于动力膝下假肢的步态识别方法
技术领域
本发明涉及智能仿生机械技术、传感器技术以及自动控制领域，特别是关于一种基于动力膝下假肢的步态识别方法。
背景技术
随着各种自然灾难、疾病及交通事故的增加，残疾人士的数量逐年增多，据统计，目前我国下肢残疾的人已接近900万。随着残疾人的增多，假肢的需求也日益增大。市场上现有的膝下假肢多采用刚性材料，虽然坚固耐用，但存在诸多缺点。穿着者穿着假肢行走时，假肢与地面发生非弹性碰撞，一方面会对穿着者的残肢造成伤害，另一方面会造成较多的能量损失，降低穿着者行走时的能量效率。此外，现有的膝下假肢都是被动假肢，无法像人的肢体一样主动做功提供能量，因此大大增加了穿着者的能量消耗，进一步降低了能量效率。为了提高穿着者的舒适性以及运动时的能量效率，含有柔性的动力膝下假肢正在成为研究热点。
踝关节和脚趾关节是膝下假肢的主要动力机构。按照人行走过程中脚与地面是否接触，可以把一个步行周期分为着地期和摆动期。根据踝关节和脚趾关节运动学和动力学特性的不同，可以进一步将着地期分为踝关节被动跖屈、踝关节被动背屈、踝关节主动跖屈、脚趾关节被动背屈和脚趾关节主动跖屈五个阶段。不同阶段，踝关节和脚趾关节的运动状态和动力学特性不同，应用的控制策略也不相同。含有柔性的动力膝下假肢的作用在于，在被动阶段利用柔性储存能量，在主动阶段一方面释放储存的能量，另一方面利用其动力特性主动做功提供能量。因此，准确地识别出各个步态，是对假肢进行控制的基础。
传统膝下假肢是完全被动的，不需要主动控制，因此也不涉及步态识别。动力膝下假肢的研究刚刚起步，其步态识别的方法也相对简单，仅仅利用脚底开关和关节处的角度传感器等进行识别，识别精度不高，抗干扰能力也较低，而且仅针对含有踝关节的膝下假肢，针对同时含有动力踝关节和动力脚趾关节的步态识别方法尚未提出。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于含有踝关节和脚趾关节的动力膝下假肢的步态识别方法，通过多种传感器采集反应假肢运动状态的多个物理量，综合对假肢步态进行识别。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于动力膝下假肢的步态识别方法，其包括以下步骤：1)首先在动力膝下假肢上安装以下传感器：角度传感器，分别安装于动力膝下假肢的踝关节和脚趾关节处，用来测量踝关节和脚趾关节的角度以及估计踝关节和脚趾关节的转速；压力传感器，分别安装于动力膝下假肢的后脚掌和前脚掌底部，用来测量脚对地面的压力；接触式开关，分别安装于动力膝下假肢的脚跟和脚尖下部，用来检测脚跟和脚尖与地面的接触情况；线性分度计，安装于与动力膝下假肢的踝关节驱动器相串连的弹簧上，用来测量弹簧的线性位移；2)当H＝1，同时FH＞FPH且
Figure GSB00000952136900021
时，踝关节进入被动跖屈阶段；其中H表示位于脚跟下部的接触式开关的状态，且H＝1表示接触式开关闭合，H＝0表示接触式开关断开；FH表示脚跟处压力传感器的测量值；FPH表示预先定义的脚跟压力阈值，具体数值根据既定的实验数据得到，并保持为一个常量；
Figure GSB00000952136900022
表示踝关节速度，通过对位于踝关节处角度传感器测量的踝关节角度θankle求导得到；3)当T＝1时，被动跖屈阶段结束，踝关节进入被动背屈阶段，此时踝关节向前转动，直到踝关节达到前向最大角度或H＝0时为止；其中T表示位于脚尖下部的接触式开关的状态，且T＝1表示接触式开关闭合，T＝0表示接触式开关断开；4)当H＝0，Tankle＞τpp且
Figure GSB00000952136900023
时，踝关节进入主动跖屈阶段；其中Tankle表示踝关节处的力矩，由弹簧的弹力乘以力臂得到；τpp代表预先定义的力矩阈值，具体数值根据既定的实验数据得到，并保持为一个常量；5)与此同时，当θtoe＜0时，脚趾关节进入到被动背屈阶段；其中θtoe表示位于脚趾关节2处角度传感器测量的脚趾关节角度；6)当FT＞FPT时，脚趾关节进入到主动跖屈阶段，这时脚趾关节开始向下转动；其中FT表示脚尖处压力传感器的测量值；FPT表示预先定义的脚尖压力阈值，具体数值根据既定的实验数据得到，并保持为一个常量；7)当踝关节和脚趾关节达到指定角度或者T＝0时，主动跖屈阶段结束，脚离地进入摆动期；摆动期，踝关节和脚趾关节各自恢复到平衡状态，为下一个步态周期做好准备。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明通过多种传感器采集反应假肢运动状态的多个物理量，并综合这些物理量对假肢步态进行识别，识别的精确度得到很大提高。2、本发明在步态识别过程中对不同步态之间的切换需要同时满足多个条件，在一定程度上提高了对紊乱步态等干扰的抑制能力。3、本发明提出了一种新的且同时含有动力踝关节和动力脚趾关节的步态识别方法。
附图说明
图1是一种动力膝下假肢的结构示意图
图2是本发明的步态转换示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明首先需要在动力膝下假肢上安装以下传感器：角度传感器，分别安装于动力膝下假肢的踝关节1和脚趾关节2处，用来测量踝关节1和脚趾关节2的角度以及估计踝关节1和脚趾关节2的转速；压力传感器，分别安装于动力膝下假肢的后脚掌3和前脚掌4底部，用来测量脚对地面的压力；接触式开关，分别安装于动力膝下假肢的脚跟5和脚尖6下部，用来检测脚跟5和脚尖6与地面的接触情况；线性分度计，安装于与动力膝下假肢的踝关节驱动器7相串连的弹簧8上，用来测量弹簧8的线性位移，进而估算弹簧8所产生的拉力。
如图2所示，本发明的步态转换包括以下步骤：
1、当脚跟5触地(H＝1)，同时脚跟5处压力大于某一个阈值(FH＞FPH)且踝关节1向后转动
Figure GSB00000952136900031
时，踝关节1进入被动跖屈阶段。其中H是脚跟5(Heel)的缩写，表示位于脚跟5下部的接触式开关的状态，且H＝1表示接触式开关闭合，H＝0表示接触式开关断开；FH表示脚跟5处压力传感器的测量值，即脚跟5所受压力；FPH表示预先定义(Predefined)的脚跟压力阈值(常量)，具体数值根据既定的实验数据得到，并保持为一个常量；
Figure GSB00000952136900032
表示踝关节速度，通过对位于踝关节1处角度传感器测量的踝关节角度θankle求导得到，用来表示踝关节1转动方向。
2、当脚尖6触地(T＝1)时，被动跖屈阶段结束，踝关节1进入被动背屈阶段，此时踝关节1向前转动，直到踝关节1达到前向最大角度或脚跟5离地(H＝0)时为止。其中T是脚尖6(Toe)的缩写，表示位于脚尖6下部的接触式开关的状态，且T＝1表示接触式开关闭合，T＝0表示接触式开关断开。
3、当脚跟5离地(H＝0)，踝关节1处力矩超过某个阈值(Tankle＞τpp)且踝关节1反向转动
Figure GSB00000952136900033
时，踝关节1进入主动跖屈阶段。其中Tankle表示踝关节1处的力矩，由弹簧8的弹力乘以力臂得到；τpp代表预先定义的力矩阈值，具体数值根据既定的实验数据得到，并保持为一个常量。
4、与此同时，脚趾关节2受压弯曲(θtoe＜0)，脚趾关节2进入到被动背屈阶段。其中θtoe表示位于脚趾关节2处角度传感器测量的脚趾关节角度。
5、当前脚掌4对地面的压力超过某一阈值时(FT＞FPT)，脚趾关节2进入到主动跖屈阶段，这时脚趾关节2开始向下转动。其中FT表示脚尖6处压力传感器的测量值，即前脚掌所受压力；FPT表示预先定义的脚尖压力阈值(常量)，具体数值根据既定的实验数据得到，并保持为一个常量。
6、当踝关节1和脚趾关节2达到指定角度或者脚尖6离地(T＝0)时，主动跖屈阶段结束，脚离地进入摆动期。摆动期，踝关节1和脚趾关节2各自恢复到平衡状态(θankle＝0andθtoe＝0)，为下一个步态周期做好准备。

Claims (1)

1.一种基于动力膝下假肢的步态识别方法，其包括以下步骤：
1)首先在动力膝下假肢上安装以下传感器：角度传感器，分别安装于动力膝下假肢的踝关节和脚趾关节处，用来测量踝关节和脚趾关节的角度以及估计踝关节和脚趾关节的转速；压力传感器，分别安装于动力膝下假肢的后脚掌和前脚掌底部，用来测量脚对地面的压力；接触式开关，分别安装于动力膝下假肢的脚跟和脚尖下部，用来检测脚跟和脚尖与地面的接触情况；线性分度计，安装于与动力膝下假肢的踝关节驱动器相串连的弹簧上，用来测量弹簧的线性位移；
2)当H＝1，同时FH＞FPH且
Figure FSB00000762088500011
时，踝关节进入被动跖屈阶段；其中H表示位于脚跟下部的接触式开关的状态，且H＝1表示接触式开关闭合，H＝0表示接触式开关断开；FH表示脚跟处压力传感器的测量值；FPH表示预先定义的脚跟压力阈值，具体数值根据既定的实验数据得到，并保持为一个常量；
Figure FSB00000762088500012
表示踝关节速度，通过对位于踝关节处角度传感器测量的踝关节角度θankle求导得到；
3)当T＝1时，被动跖屈阶段结束，踝关节进入被动背屈阶段，此时踝关节向前转动，直到踝关节达到前向最大角度或H＝0时为止；其中T表示位于脚尖下部的接触式开关的状态，且T＝1表示接触式开关闭合，T＝0表示接触式开关断开；
4)当H＝0，Tankle＞τpp且
Figure FSB00000762088500013
时，踝关节进入主动跖屈阶段；其中Tankle表示踝关节处的力矩，由弹簧的弹力乘以力臂得到；τpp代表预先定义的力矩阈值，具体数值根据既定的实验数据得到，并保持为一个常量；
5)与此同时，当θtoe＜0时，脚趾关节进入到被动背屈阶段；其中θtoe表示位于脚趾关节处角度传感器测量的脚趾关节角度；
6)当FT＞FPT时，脚趾关节进入到主动跖屈阶段，这时脚趾关节开始向下转动；其中FT表示脚尖处压力传感器的测量值；FPT表示预先定义的脚尖压力阈值，具体数值根据既定的实验数据得到，并保持为一个常量；
7)当踝关节和脚趾关节达到指定角度或者T＝0时，主动跖屈阶段结束，脚离地进入摆动期；摆动期，踝关节和脚趾关节各自恢复到平衡状态，为下一个步态周期做好准备。
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