CN102119877A - 建立下肢假肢自动训练专家知识库的方法 - Google Patents

Abstract

本发明建立下肢假肢自动训练专家知识库的方法，涉及假肢膝关节的控制，所用硬件包括假肢膝关节、接受腔、足底压力传感器、控制装置和控制电路，其中控制装置由气缸、活塞、气体通道、针阀和直线步进电机构成；由控制电路中的单片机采集和运算来自足底压力传感器的足底压力信号，采用迭代学习算法建立用于假肢膝关节控制的专家知识库。本发明方法使用便携式采集系统，运算由单片机自动完成，准确高效，采用迭代学习的方法来寻找使得假肢和健肢侧步态周期相差最小，在截肢者穿带假肢后无须专业人员辅助，系统即可自动生成不同步行速度下使得对称性最好的价值膝关节控制量，即建立用于假肢膝关节控制的专家知识库。

Description

建立下肢假肢自动训练专家知识库的方法

技术领域

本发明的技术方案涉及假肢膝关节的控制，具体地说是建立下肢假肢自动训练专家知识库的方法。

背景技术

为了适应不同身体状况的截肢者穿带假肢，需要根据不同的假肢穿戴者的实际情况来确定假肢膝关节的控制量。

现有假肢膝关节产品大多采用穿着假肢膝关节的截肢者的体验感受来调整不同步行条件下的假肢膝关节的控制量。这种做法存在以下弊端：

首先，截肢者在截肢手术康复后，需要一段时间来适应截肢后穿着假肢膝关节的步行状态，若立即安装智能下肢假肢进行控制参数的确定，其穿着感受难以作为确定假肢膝关节控制量的依据，同时还需要穿带者在不同步行条件下的穿着感受来确定不同步行条件下对应的假肢膝关节的控制量，这个过程一般需要专业人员辅助完成，费时费力。

其次，单纯依靠假肢穿带者的感受来对假肢膝关节的控制量进行调整存在主观因素的影响，由于身体条件和下肢康复训练程度的差异，下肢假肢穿带者习惯或者愿意采用的步行方式不一定是最合适的行走方式，单纯依靠其感受选择步行方式有可能形成不良的步行习惯，长期来看不利于穿带者的身体恢复。

再次，穿带者的感受可能受到其它因素的影响，身体被动适应这些因素，有可能形成不良步态。例如，由于大腿接受腔安装不合适，在一些假肢穿带者穿着假肢经验不足未能及时发现的情况下，他们会调整自己的步行方式来缓解接受腔安装造成的不舒适感，形成适应性步行习惯。这种步行习惯不但不能够加快身体康复，反而容易掩盖接受腔安装不合适的问题，对下肢假肢的正确调整起到阻碍作用。

最后，受到文化程度不高、穿着假肢经验不足和人体感觉阈限制约等因素的影响，下肢假肢穿带者穿着感受的描述可能会不够具体准确，难以将步行感受的细微变化描述出来，对不同步行状态的区分度不够。正常行走过程中，步行速度变化是连续的，但是人类的感觉很难对速度进行严格区分。例如，大多数假肢穿带者都可以把自己的步行速度分为快速、中速、慢速，同时将下肢假肢控制参数设置到适应这三个速度的数值。在很多情况下，下肢假肢的控制量的区分度要远远大于这三个数值，超过人类对步行速度区分度。所以，在很多情况下，假肢穿带者无法按照自己的感受调整下肢假肢使之发挥完全的功能。

现有建立用于假肢膝关节控制的专家知识库只是提到了临界值的使用，但是没有涉及临界值的选取依据和方法。CN92112993.9公开的“在膝上假肢中控制人造膝关节动作的系统”和CN200780016492.1公开的“具有可调阻尼的被动膝关节的控制”虽然存在使用临界值作为控制量的描述，但是，没有涉及如何自动获取控制用的临界值。CN200610118009.8披露的“跟随健康腿步速控制的智能膝上假肢系统”，包括假肢体，电控液压膝关节，健康腿步态在线检测机构，步态数据传送系统，计算机控制系统，所用的方法和设备都很复杂，同时没有涉及使假肢跟随假肢的控制方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供建立下肢假肢自动训练专家知识库的方法，使用便携式采集系统，采集假肢和健肢的足底压力信号，采用迭代学习的方法来寻找步态对称性最好的假肢膝关节控制量，并根据当前的步行速度将该控制量放入存储器中作为知识库的一个条目，克服了现有技术所用的方法和设备都很复杂的缺点。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：建立下肢假肢自动训练专家知识库的方法，具体步骤如下：

A.所用硬件及其安装

所用硬件包括假肢膝关节、接受腔、足底压力传感器、控制装置和控制电路；所述假肢膝关节是能够通过非人工方式调整弯曲和伸展阻尼的气压下肢假肢膝关节，被安装在大腿截肢者所穿带的上述接受腔下部；所述控制装置由气缸、活塞、气体通道、针阀和直线步进电机构成，活塞安装在气缸中，并将气缸分成两个腔室，两个腔室通过气体通道相连通，气体通道位于气缸外部，直线步进电机安装在气缸下部，针阀安装在直线步进电机进给螺杆的顶端，控制装置中的气缸被固定在小腿假肢后方；所述控制电路中含有单片机，控制电路被安装固定在下肢假肢上；足底压力传感器分别安装在健肢足底和假肢足底，并通过导线与控制电路连接；足底压力传感器、控制电路和直线步进电机之间用导线连接；

B.受试者测试

在建立上述A步骤之后，让受试者正常行走，在行走过程中，首先检测步行速度，然后确定当前步行速度下膝关节离地角度值，当膝关节角度达到膝关节离地角度时，即认为到达摆动期，上述控制装置中的针阀按照该步行速度下对应的开度值运动，当膝关节完全伸展后即认为进入支撑期，该针阀保持完全关闭，使阻尼达到最大值，提高支撑期稳定性；

C.足底压力信号的采集

上述控制电路中单片机的模拟数字量转换模块，也就是单片机上自带的AD转换器，通过滑动平均滤波的处理方法，以每秒500次的频率采集安装在上述受试者的假肢侧和健肢侧足底的足底压力传感器的电压信号，即足底压力信号；

D.足底压力信号的运算

足底压力信号的运算由上述控制电路中所含单片机来完成，其运算程序按照功能可以分为三个部分：

第一部分是主程序，该部分程序完成系统上电之后的初始化工作

系统上电→关闭看门狗→时钟配制→晶体振荡器是否起振？否→返回晶体振荡器是否起振？，是→外围模块初始化→变量定义和初始化→打开看门狗中断→进入低功耗模式；

第二部分是AD转换中断服务程序，该部分程序完成AD采样和滑动平均滤波算法

进入AD中断→打开中断，允许其他中断嵌套→将AD转换结果送buffer1数组→进行滑动平均滤波处理→将滤波结果作为当前电压值→中断返回；

第三部分是定时器中断服务程序，该部分程序完成步态周期判断、迭代学习算法和知识库数据存储的功能

进入定时器中断→打开中断，允许其他中断嵌套→读取足底压力信号→是否为假肢侧步态周期的开始：否→读取后臂下轴角度信号，是→计算假肢侧和健肢侧步态周期之差→差值是否小于阈值：是→将针阀位置作为当前步速下最合适的值存入专家知识库中，否→采用迭代学习算法得出针阀目标位置→读取后臂下轴角度信号→计算当前膝关节角度值→判断是否为假肢离地角度：否→退出中断，是→针阀开始向目标位置移动→退出中断。

E.建立下肢假肢自动训练专家知识库

采用迭代学习算法建立用于假肢膝关节控制的专家知识库，具体方法是：选用健肢/假肢的步态周期的偏差作为步态对称性的评价标准，系统输出值为下肢假肢步态周期，期望值为健肢步态周期，以两者的偏差来修正控制输入，即气缸针阀开度，产生新的控制信号，使用P型学习率的方法如下：

u_k+1(t)＝u_k(t)+Le_k(t)

上式中，u_k+1：第k+1个周期计算得到的针阀开度；u_k：第k个周期得到的针阀开度；e_k：左右脚步态周期差值；L：比例系数，

当误差初步收敛到一定程度时

||e_k(t)||＜|e_a|

其中不等式左侧表示在第k个步态周期中，假肢与健肢间的步态周期误差，右侧为根据仿真和患者测试实验结果设定的阈值，此时系统误差趋向稳定收敛，当误差收敛到一个已经满足控制要求精度范围之内以后，算法停止继续迭代学习，将相关的学习结果，即该步行速度下的针阀开度，保存在智能假肢的知识库中，由此建立下肢假肢自动训练专家知识库。

上述建立下肢假肢自动训练专家知识库的方法，其中的控制电路如图6所示。

上述建立下肢假肢自动训练专家知识库的方法，其中所涉及到的假肢膝关节和足底压力传感器都可以通过商购得到；所述控制装置的零部件气缸、活塞、气体通道、针阀和直线步进电机及其它们的安装方法也是本技术领域的技术人员所熟知的；控制电路中的单片机的型号为MSP430F2274，是本技术领域的技术人员所公知的。

上述建立下肢假肢自动训练专家知识库的方法，其中足底压力传感器、控制电路和直线步进电机之间的导线连接方法是本技术领域的技术人员所熟知的。

上述建立下肢假肢自动训练专家知识库的方法，其中的滑动平均滤波的处理方法

本发明的有益效果是：

(1)本发明方法的原理

迭代学习控制用于诸如工业机器人那样的具有重复运动性质的被控对象，用“在重复中学习”的学习策略，具有记忆和修正机制。它通过对被控对象进行控制尝试，以系统的输出值与期望值的偏差信号修正控制信号，产生新的控制信号，使得系统的跟踪性能得以逐步提高。人在行走过程中，肢体往复运动，具有典型的重复性和周期性特点，适合应用迭代学习方法进行控制。针对下肢假肢这个独特的系统，其控制目标是使截肢者步态接近正常步态，最重要的指标就是步态对称性。

(2)本发明方法的显著进步

本发明方法的显著特点在于：①使用便携式采集系统，采集假肢和健肢的步态数据；②运算由单片机自动完成，准确高效；③采用迭代学习的方法来寻找使得假肢和健肢侧步态周期相差最小，即步态对称性最好的假肢膝关节控制量。

由此得到的本发明方法的显著进步结果在于：①在截肢者穿带假肢后无须专业人员辅助，系统即可自动生成不同步行速度下使得对称性最好的价值膝关节控制量，即建立用于假肢膝关节控制的专家知识库。这一过程无需人工干预，相对于采用穿带者感受的现有技术方法，本发明方法所需时间短，精度高，系统便携性好，假肢训练过程无须专业人员陪同。②采用残肢侧和健肢侧步态对称性来作为判断步行模式优劣的指标明确具体，可以摆脱由于身体条件或者康复训练效果不同所造成的感觉差异对下肢假肢控制的不利影响。同时，采用步态对称性标准会促使假肢穿带者步态更加对称，以此作为下肢假肢控制量判断标准不会形成不良步行习惯。③由于采用电子手段测量假肢穿带者的步行速度，区分度远远高于单纯凭借感觉来判断步行速度的方法，从而智能下肢假肢所提供的更加精确划分步行速度来进行控制的优势可以得到更好的体现。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明中的假肢膝关节、足底压力传感器和控制电路的安装位置示意图。

图2为本发明中的硬件部分工作原理框图。

图3为本发明中的足底压力传感器在足底安装位置示意图。

图4为本发明中的控制装置的结构示意图。

图5为本发明方法中测试得到的健肢和残肢足底压力信号图。

图6为本发明中的控制电路的电路图。

图7为本发明中控制电路中所含单片机的运算程序的主程序流程图。

图8为本发明中控制电路中所含单片机的运算程序的AD采样中断服务程序流程图。

图9为本发明中控制电路中所含单片机的运算程序的定时器中断服务程序图。

图中，1.假肢膝关节，2.足底压力传感器，3.针阀，4.直线步进电机，5.接受腔，6.气缸，7.活塞，8.气体通道，9.控制电路。

具体实施方式

图1表明本发明中的假肢膝关节1安装在大腿截肢者所穿带的接受腔5下部，足底压力传感器2分别安装在健肢足底和假肢足底，控制电路9被安装固定在下肢假肢上。

图2表明本发明中的硬件部分工作原理是：足底压力信号被控制电路中的单片机采集并运算处理，然后单片机控制并驱动直线步进电机运动，直线步进电机再带动针阀来实现调整气体通道的开度。

图3表明本发明的足底压力传感器安装在足底前部和后部的中央位置。

图4表明本发明的控制装置包括气缸6、活塞7、气体通道8、针阀3和直线步进电机4，活塞7安装在气缸6中，并将气缸6分成两个腔室，两个腔室通过气体通道8相连通，气体通道8位于气缸6外部，直线步进电机4安装在气缸6下部，针阀3安装在直线步进电机4进给螺杆的顶端。

图5表明用本发明方法测试得到的健肢和残肢足底压力信号，说明通过足底压力信号可以获取假肢侧和健肢侧步态周期的数值。

图6为本发明中的控制电路的电路图，按照该图可以制作本发明中的控制电路。该控制电路被安装固定在下肢假肢上。

图7表明本发明中控制电路中所含单片机的运算程序的主程序是：

系统上电→关闭看门狗→时钟配制→晶体振荡器是否起振？否→返回晶体振荡器是否起振？，是→外围模块初始化→变量定义和初始化→打开看门狗中断→进入低功耗模式；

图8表明本发明中控制电路中所含单片机的运算程序的AD采样中断服务程序流程是：

进入AD中断→打开中断，允许其他中断嵌套→将AD转换结果送buffer1数组→进行滑动平均滤波处理→将滤波结果作为当前电压值→中断返回；

图9表明本发明中控制电路中所含单片机的运算程序的定时器中断服务程序是：

进入定时器中断→打开中断，允许其他中断嵌套→读取足底压力信号→是否为假肢侧步态周期的开始：否→读取后臂下轴角度信号，是→计算假肢侧和健肢侧步态周期之差→差值是否小于阈值：是→将针阀位置作为当前步速下最合适的值存入专家知识库中，否→采用迭代学习算法得出针阀目标位置→读取后臂下轴角度信号→计算当前膝关节角度值→判断是否为假肢离地角度：否→退出中断，是→针阀开始向目标位置移动→退出中断。

实施例1

建立下肢假肢自动训练专家知识库的方法所用硬件部分的安装：

所用硬件包括假肢膝关节1、接受腔5、足底压力传感器2、控制装置和控制电路9；所述假肢膝关节1是能够通过非人工方式调整弯曲和伸展阻尼的气压下肢假肢膝关节，被安装在大腿截肢者所穿带的接受腔5下部；所述控制装置由气缸6、活塞7、气体通道8、针阀3和直线步进电机4构成，活塞7安装在气缸6中，并将气缸6分成两个腔室，两个腔室通过气体通道8相连通，气体通道8位于气缸6外部，直线步进电机4安装在气缸6下部，针阀3安装在直线步进电机4进给螺杆的顶端，控制装置中的气缸6被固定在小腿假肢后方；所述控制电路9中含有单片机，控制电路9被安装固定在下肢假肢上；足底压力传感器2分别安装在健肢足底和假肢足底，并通过导线与控制电路连接；足底压力传感器2、控制电路和直线步进电机4之间有导线连接；假肢膝关节1的阻尼通过调整连接膝关节气缸6两个腔室的气道开度来实现，调整气体通道8开度则是采用直线步进电机4带动针阀3来实现的，控制电路9的电路图如图6所示。

本实施例中所涉及到的假肢膝关节1和足底压力传感器2都可以通过商购得到；所述控制装置的零部件气缸6、活塞7、气体通道8、针阀3和直线步进电机4及其它们的安装方法也是本技术领域的技术人员所熟知的；足底压力传感器2、控制电路9和直线步进电机4之间的导线连接方法是本技术领域的技术人员所熟知的；控制电路9中的单片机的型号为MSP430F2274，是本技术领域的技术人员所公知的。

实施例2

上述硬件部分的工作过程是：在安装好上述全部硬件之后，让受试者正常行走，在行走过程中，首先检测步行速度，然后确定当前步行速度下膝关节离地角度值，当膝关节角度达到膝关节离地角度时，即认为到达摆动期，上述控制装置中的针阀3按照该步行速度下对应的开度值运动，当膝关节完全伸展后即认为进入支撑期，该针阀3保持完全关闭，使阻尼达到最大值，提高支撑期稳定性。

实施例3

在实施例1和实施例2的基础上进行足底压力信号的采集与运算：

控制电路9中的单片机的模拟数字量转换模块，也就是单片机上自带的AD转换器，通过滑动平均滤波的处理方法，以每秒500次的频率采集安装在假肢侧和健肢侧足底的足底压力传感器2的足底电压信号，即足底压力信号。

足底压力信号的运算由控制电路9中所含单片机来完成，其运算程序按照功能可以分为三个部分：

第一部分是主程序，完成系统上电之后的初始化工作

系统上电→关闭看门狗→时钟配制→晶体振荡器是否起振？→否，返回晶体振荡器是否起振？：是，外围模块初始化→变量定义和初始化→打开看门狗中断→进入低功耗模式；

第二部分是AD转换中断服务程序，该程序完成AD采样和滑动平均滤波算法

进入AD中断→打开中断，允许其他中断嵌套→将AD转换结果送buffer1数组→进行滑动平均滤波处理→将滤波结果作为当前电压值→中断返回；

第三部分是定时器中断服务程序该部分程序完成步态周期判断、迭代学习算法和知识库数据存储的功能

进入定时器中断→打开中断，允许其他中断嵌套→读取足底压力信号→是否为假肢侧步态周期的开始：否→读取后臂下轴角度信号；是→计算假肢侧和健肢侧步态周期之差→差值是否小于阈值：是→将针阀3位置作为当前步速下最合适的值存入专家知识库中；否→采用迭代学习算法得出针阀3目标位置→读取后臂下轴角度信号→计算当前假肢膝关节1角度值→判断是否为假肢离地角度：否→退出中断；是→针阀3开始向目标位置移动→退出中断。

实施例4

在上述三个实施例的基础上，采用迭代学习算法建立用于假肢膝关节控制的专家知识库，具体方法是：选用健肢/假肢的步态周期的偏差作为步态对称性的评价标准，系统输出值为下肢假肢步态周期，期望值为健肢步态周期，以两者的偏差来修正控制输入，即气缸6中针阀3的开度，产生新的控制信号，使用P型学习率的方法如下：

u_k+1(t)＝u_k(t)+Le_k(t)

上式中，u_k+1：第k+1个周期计算得到的针阀3的开度；u_k：第k个周期得到的针阀3的开度；e_k：左右脚步态周期差值；L：比例系数，

当误差初步收敛到一定程度时

||e_k(t)||＜|e_a|

其中不等式左侧表示在第k个步态周期中，假肢与健肢间的步态周期误差，右侧为根据仿真和患者测试实验结果设定的阈值，此时系统误差趋向稳定收敛，当误差收敛到一个已经满足控制要求精度范围之内以后，算法停止继续迭代学习，将相关的学习结果，即该步行速度下的针阀3的开度，保存在智能假肢的知识库中，由此建立下肢假肢自动训练专家知识库。

Claims (2)

1.建立下肢假肢自动训练专家知识库的方法，其特征在于具体步骤如下：

A.所用硬件及其安装

所用硬件包括假肢膝关节、接受腔、足底压力传感器、控制装置和控制电路；所述假肢膝关节是能够通过非人工方式调整弯曲和伸展阻尼的气压下肢假肢膝关节，被安装在大腿截肢者所穿带的上述接受腔下部；所述控制装置由气缸、活塞、气体通道、针阀和直线步进电机构成，活塞安装在气缸中，并将气缸分成两个腔室，两个腔室通过气体通道相连通，气体通道位于气缸外部，直线步进电机安装在气缸下部，针阀安装在直线步进电机进给螺杆的顶端，控制装置中的气缸被固定在小腿假肢后方；所述控制电路中含有单片机，控制电路被安装固定在下肢假肢上；足底压力传感器分别安装在健肢足底和假肢足底，并通过导线与控制电路连接；足底压力传感器、控制电路和直线步进电机之间用导线连接；

B.受试者测试

在建立上述A步骤之后，让受试者正常行走，在行走过程中，首先检测步行速度，然后确定当前步行速度下膝关节离地角度值，当膝关节角度达到膝关节离地角度时，即认为到达摆动期，上述控制装置中的针阀按照该步行速度下对应的开度值运动，当膝关节完全伸展后即认为进入支撑期，该针阀保持完全关闭，使阻尼达到最大值，提高支撑期稳定性；

C.足底压力信号的采集

上述控制电路中单片机的模拟数字量转换模块，也就是单片机上自带的AD转换器，通过滑动平均滤波的处理方法，以每秒500次的频率采集安装在上述受试者的假肢侧和健肢侧足底的足底压力传感器的电压信号，即足底压力信号；

D.足底压力信号的运算

足底压力信号的运算由上述控制电路中所含单片机来完成，其运算程序按照功能可以分为三个部分：

第一部分是主程序，该部分程序完成系统上电之后的初始化工作

系统上电→关闭看门狗→时钟配制→晶体振荡器是否起振？否→返回晶体振荡器是否起振？，是→外围模块初始化→变量定义和初始化→打开看门狗中断→进入低功耗模式；

第二部分是AD转换中断服务程序，该部分程序完成AD采样和滑动平均滤波算法

进入AD中断→打开中断，允许其他中断嵌套→将AD转换结果送buffer1数组→进行滑动平均滤波处理→将滤波结果作为当前电压值→中断返回；

第三部分是定时器中断服务程序，该部分程序完成步态周期判断、迭代学习算法和知识库数据存储的功能

进入定时器中断→打开中断，允许其他中断嵌套→读取足底压力信号→是否为假肢侧步态周期的开始：否→读取后臂下轴角度信号，是→计算假肢侧和健肢侧步态周期之差→差值是否小于阈值：是→将针阀位置作为当前步速下最合适的值存入专家知识库中，否→采用迭代学习算法得出针阀目标位置→读取后臂下轴角度信号→计算当前膝关节角度值→判断是否为假肢离地角度：否→退出中断，是→针阀开始向目标位置移动→退出中断。

E.建立下肢假肢自动训练专家知识库

采用迭代学习算法建立用于假肢膝关节控制的专家知识库，具体方法是：选用健肢/假肢的步态周期的偏差作为步态对称性的评价标准，系统输出值为下肢假肢步态周期，期望值为健肢步态周期，以两者的偏差来修正控制输入，即气缸针阀开度，产生新的控制信号，使用P型学习率的方法如下：

u_k+1(t)＝u_k(t)+Le_k(t)

上式中，u_k+1：第k+1个周期计算得到的针阀开度；u_k：第k个周期得到的针阀开度；e_k：左右脚步态周期差值；L：比例系数，

当误差初步收敛到一定程度时

||e_k(t)||＜|e_a|

其中不等式左侧表示在第k个步态周期中，假肢与健肢间的步态周期误差，右侧为根据仿真和患者测试实验结果设定的阈值，此时系统误差趋向稳定收敛，当误差收敛到一个已经满足控制要求精度范围之内以后，算法停止继续迭代学习，将相关的学习结果，即该步行速度下的针阀开度，保存在智能假肢的知识库中，由此建立下肢假肢自动训练专家知识库。

2.权利要求1所述建立下肢假肢自动训练专家知识库的方法，其特征在于：其中的控制电路如图6所示。

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