CN101961271B - 一种基于动力膝下假肢的阻抗控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于动力膝下假肢的阻抗控制方法，其特征在于：在某一确定的踝关节位置，通过控制动力膝下假肢电机的输出力矩来控制与所述电机串联的弹簧的形变量，进而控制踝关节产生期望的阻抗。本发明的控制方法是一种主动控制方法，在脚着地期的三个阶段对假肢进行控制，使假肢能够更好地模仿人正常肢体行走时的步态。
Description
技术领域
本发明涉及智能仿生机械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阻抗控制方法。
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。
根据人行走过程中脚是否与地面接触，可以将人的一个步行周期分为着地期和摆动期。按照踝关节动力学特性的不同，可以将着地期进一步分为被动跖屈、被动背屈和主动跖屈三个阶段。踝关节是人行走过程中膝下部分的主要动力源，其输出力矩随关节角度的变化而变化。阻抗，从本质上而言是衡量力矩与位置关系的物理量，因此阻抗控制的目的在于控制膝下假肢，使其能够准确地模仿正常踝关节的力矩和角度关系，从而使假肢能够呈现出类似于正常肢体的动力学和运动学特性。在着地期的三个阶段里，踝关节的力矩和角度都在变化，因此其阻抗也一直在变化，即假肢在着地期的三个阶段里呈现出不同的阻抗。
传统假肢大多是被动假肢，踝关节为刚性或者只能被动地弯曲；某些半主动假肢，可以在人行走的过程中自动地调节踝关节的角度，在一定程度上提高了能量效率，但因为无法主动做功提供能量，因此从本质上来讲仍然是被动假肢；某些正在研究中的动力假肢，其控制主要针对踝关节的主动跖屈阶段，因为这一阶段是踝关节动力特性的主要体现，其它阶段踝关节仍然被动地弯曲，因此无法很好地模仿正常踝关节的阻抗特性。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于动力膝下假肢的阻抗控制方法，在脚着地期的三个阶段对假肢进行控制，使假肢能够更好地模仿人正常肢体行走时的运动学与动力学特性。
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阻抗控制方法，其特征在于：在某一确定的踝关节位置，通过控制动力膝下假肢电机的输出力矩来控制与所述电机串联的弹簧的形变量，进而控制踝关节产生期望的阻抗。
控制所述电机的输出力矩通过控制所述电机的电枢电流实现，包括以下步骤：1)在所述动力膝下假肢上安装以下传感器：角度传感器，安装在所述踝关节处，用来测量所述踝关节的角度；线性电位计，与所述弹簧串联在一起，用来测量所述弹簧的线性形变；2)建立一个闭环控制系统，所述闭环控制系统由一力控制器、一放大器、所述角度传感器以及线性电位计组成；3)所述闭环控制系统在某一确定位置按照确定好的阻抗关系得到期望力矩，并作为所述力控制器的给定值；4)所述放大器根据所述力控制器给出的输出力矩控制所述电机的电枢电流；5)所述线性电位计将测得的所述弹簧的形变量乘以弹簧比例系数得到反馈力矩，并将所述反馈力矩作为负反馈量输入所述力控制器。
在所述力控制器和放大器之间设置一正反馈环节，所述角度传感器将测得踝关节角度及踝关节角速度，摩擦补偿力矩输入所述正反馈环节。
所述力控制器采用PID控制。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明通过控制动力膝下假肢电机的输出力矩来控制与电机串联的弹簧的形变量，进而控制踝关节产生期望的阻抗，是位置控制与力控制的结合，具有更好的动力学特性。2、本发明的控制方法是一种主动控制方法，在脚着地期的三个阶段对假肢进行控制，使假肢能够更好地模仿人正常肢体行走时的步态。
附图说明
图1是一种动力膝下假肢的结构示意图
图2是本发明将动力膝下假肢简化后的阻抗控制示意图
图3是动力膝下假肢的阻抗关系曲线图
图4是本发明的控制结构示意图
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，本发明首先在动力膝下假肢上安装以下传感器：角度传感器，安装在踝关节1处，用来测量踝关节1的角度；线性电位计，与弹簧2串联在一起，用来测量弹簧2的线性形变，进而估算弹簧2产生的拉力。
如图2所示，可以将动力膝下假肢简化为一个三杆传动机构，其中a表示电机3与小腿4的铰接点O1到踝关节点O2的杆，b表示弹簧2与后脚掌5的铰接点O3到踝关节点O2的杆，c表示铰接点O1到铰接点O3的杆，θ为杆a与竖直方向所夹角度，即踝关节角度，顺时针方向为正，逆时针方向为负。杆a和杆b的长度固定，杆c的长度在电机3转动的压缩或拉伸下可以变化，通过铰接点O1将杆c的长度的变化转化为踝关节1的转动，即踝关节角度θ的变化。
由此可见，踝关节1的阻抗体现为踝关节角度θ与其所受力矩T之间的关系，踝关节角度θ与其所受力矩T之间的具体关系可以通过实验测得，其阻抗关系曲线为一斜率不断变化的曲线(如图3所示)。如果将阻抗关系曲线分段线性化，当踝关节角度θ处在一个较小线性区间内时，可以把踝关节角度θ当作定值，此时可以把阻抗控制转化为踝关节1处的力矩控制。由于踝关节所受力矩T由弹簧2线性形变产生的拉力提供，而弹簧2的线性形变可以通过电机3进行控制，因此当踝关节角度θ一定时，可以通过控制电机3的输出力矩来控制弹簧2的形变量(踝关节处的力矩)，进而控制踝关节1产生期望的阻抗。例如，在踝关节角度θ下，控制电机3将弹簧2压缩Δx1，此时的阻抗可近似为k·Δx1/θ；如果在相同的踝关节角度θ下，控制电机3将弹簧2压缩Δx2，则此时的阻抗变为k·Δx2/θ。
如图4所示，控制电机3的输出力矩通过控制电机3的电枢电流Ia实现，其包括以下步骤：
1)建立一个闭环控制系统，该闭环控制系统由力控制器6、放大器7、角度传感器8以及线性电位计9组成。
2)闭环控制系统在某一确定的踝关节位置(通过角度传感器测得)按照确定好的阻抗关系得到期望力矩Te，并作为力控制器6的给定值，力控制器6采用PID控制。
3)放大器7可以看作电机模型的简化，其根据力控制器6给出的输出力矩控制电机的电枢电流Ia(在励磁磁通恒定的情况下，电机3的输出力矩与电枢电流成正比)。
4)电机3的输出力矩作用于踝关节1之后引起踝关节角度θ的变化，踝关节角度θ的变化导致弹簧2发生线性形变，线性电位计9将测得的弹簧形变量Δx乘以弹簧比例系数得到反馈力矩Tf，并将该反馈力矩Tf作为负反馈量输入力控制器6。
5)由于传动机构存在摩擦，弹簧2所受力矩与根据电枢电流Ia计算出的力矩并不相同，因此可以在力控制器6和放大器7之间设置一正反馈环节，角度传感器8将测得踝关节角度θ及踝关节角速度
，并据此得出摩擦补偿力矩τf输入该正反馈环节。
Claims (3)
1.一种基于动力膝下假肢的阻抗控制方法，其特征在于：在某一确定的踝关节位置，通过控制动力膝下假肢电机的输出力矩来控制与所述电机串联的弹簧的形变量，进而控制踝关节产生期望的阻抗；其中，控制所述电机的输出力矩通过控制所述电机的电枢电流实现，包括以下步骤：
1)在所述动力膝下假肢上安装以下传感器：角度传感器，安装在所述踝关节处，用来测量所述踝关节的角度；线性电位计，与所述弹簧串联在一起，用来测量所述弹簧的线性形变；
2)建立一个闭环控制系统，所述闭环控制系统由一力控制器、一放大器、所述角度传感器以及线性电位计组成；
3)所述闭环控制系统在某一确定的踝关节位置按照确定好的阻抗关系得到期望力矩，并作为所述力控制器的给定值；
4)所述放大器根据所述力控制器给出的输出力矩控制所述电机的电枢电流；
5)所述线性电位计将测得的所述弹簧的形变量乘以弹簧比例系数得到反馈力矩，并将所述反馈力矩作为负反馈量输入所述力控制器。
2.如权利要求1所述的一种基于动力膝下假肢的阻抗控制方法，其特征在于：在所述力控制器和放大器之间设置一正反馈环节，所述角度传感器将测得踝关节角度及踝关节角速度，摩擦补偿力矩输入所述正反馈环节。
3.如权利要求1或2所述的一种基于动力膝下假肢的阻抗控制方法，其特征在于：所述力控制器采用PID控制。
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