CN115887076A - 一种主被动混合驱动智能假肢膝关节的控制方法 - Google Patents
一种主被动混合驱动智能假肢膝关节的控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种主被动混合驱动智能假肢膝关节的控制方法，涉及康复机器人领域，该方法包括模式识别模块和控制模块；模式识别模块用于识别佩戴者步态相位和前方地形信息，为控制模块提供决策数据，其特征在于，所述模式识别模块包括步态检测和地形检测；控制模块根据模式识别模块的决策数据选择对应的控制模式并反馈当前的传感状态，控制模式包括被动模式和主动模式。本发明通过步态检测和地形检测算法识别佩戴者的步态相位和前方的地形，区分不同地形并准确切换主被动模式，提高假肢的控制效率并降低能耗。
Description
技术领域
本发明属于人体康复辅具控制领域，涉及一种假肢膝关节，特别涉及一种具有能量回收功能的主被动混合驱动智能假肢膝关节。
背景技术
随着下肢截肢患者的增多以及微电子、控制等技术的不断发展，智能下肢假肢逐渐成为康复机器人领域的研究热点。作为下肢假肢系统的核心部件，高性能的膝关节假肢设计仍然是当前假肢设计中的技术难点之一。现有的智能假肢膝关节按照关节驱动方式可分为被动型和主动型。被动型假肢膝关节可以通过微处理器技术根据佩戴者的步速快慢实时调节膝关节阻尼力矩实现步速自适应，但是不提供主动力矩，因此无法自然的完成上楼梯等活动。主动型假肢膝关节能够通过大扭矩电机为假肢膝关节提供正功，使佩戴者更好地完成上楼梯等需要主动力矩的行走模式，但存在耗能较大、电池体积和重量大以及续航时间短等缺点。上述两种类型假肢各有优缺点，但都不能模拟健康人行走过程中腿部肌肉主被动混合驱动的机理，给假肢佩戴者带来了不必要的能量代谢消耗。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种具有能量回收功能的主被动混合驱动智能假肢膝关节，以提高假肢的控制效率并降低能耗。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种主被动混合驱动智能假肢膝关节的控制方法，所述方法首先通过步态检测和地形检测算法识别佩戴者的步态相位和前方的地形，所述地形分为高地形、矮地形、平地地形三种。在高地形，即上楼、上坡等需要膝关节主动力矩的情况中，假肢切换至主动模式，根据前方地形高度进行膝关节屈曲角度的轨迹规划，再通过电机和传动机构实现假肢膝关节的轨迹跟随，实现主动力矩控制。在矮地形，即下楼、下坡等需要膝关节被动力矩消耗能量的情况中，假肢切换至被动模式，通过控制液压缸阀门大小提供一定的阻尼力矩和柔韧性以保证假肢运动的仿生性。在平地地形中，假肢切换至被动模式，对佩戴者的步态相位进行检测，并根据当前步态相位选择合适的阻尼模式，实现自适应阻尼控制，同时能量回收模块开启，通过传动模块使关节动能驱动电机进行发电，最终转换为电能进行储存，提高电池的续航时间。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种主被动混合驱动智能假肢膝关节的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括模式识别模块和控制模块；
所述模式识别模块用于识别佩戴者步态相位和前方地形信息，为控制模块提供决策数据，所述模式识别模块包括步态检测模块和地形检测模块；
所述控制模块根据模式识别模块的决策数据选择对应的控制模式并反馈当前的传感状态，所述控制模式包括被动模式和主动模式；
所述被动模式用于假肢膝关节的阻尼控制，所述被动模式包括高阻尼模式、自适应阻尼模式和能量回收模式；当佩戴者处于静立、脚后跟着地、下楼梯、下坡等状态时，假肢处于高阻尼状态，为假肢提供良好的站立稳定性；假肢初始化状态为高阻尼状态；当佩戴者处于平地行走状态时，所述自适应阻尼模式根据步态相位实时调节假肢的阻尼，同时能量回收模式开启，将机械能转换为电能进行储存；
所述主动模式用于控制假肢膝关节的主动屈曲和伸展，所述主动模式包括膝关节屈曲轨迹规划和控制假肢膝关节进行轨迹跟随；当佩戴者处于上楼梯或上坡等活动状态时，假肢膝关节切换至主动模式，根据前方地形高度进行膝关节屈曲轨迹规划并控制假肢膝关节进行轨迹跟随，实现假肢膝关节的主动屈曲和伸展。
所述步态检测模块通过获取压力信号、膝关节角度信号和大腿角度信号组合来实现步态相位识别，将一个完整步态周期T分为支撑期和摆动期，即支撑相和摆动相。
所述支撑期开始于脚后跟着地结束于脚前掌离地，所述摆动期开始于脚尖离地结束于脚后跟着地；对支撑期和摆动期细分状态阶段最终确定一个步态周期分为脚跟着地、站立伸展、脚尖离地、摆动屈曲、摆动伸展五个相位；若佩戴者处于站立伸展期超过阈值时间t，则处于静立状态，所述静立状态为假肢膝关节的初始状态，此时地形检测开启。
所述地形检测模块包括传感器检测和高度检测。
所述传感器检测使用激光传感器安装于佩戴者的残肢接受腔正前方，并与地面垂直面形成25°夹角，激光传感器采集到的数据即为佩戴者残肢到前方地形的距离；根据佩戴者残肢到前方地形的不同距离特征，将地形类型分为平地地形、高地形和矮地形三种。
所述地形类型的分别为：当佩戴者处于静立状态时，若距离大于阈值h1，则前方地形为矮地形；若距离小于阈值h2，则前方地形为高地形；若距离在区间[h2,h1]之间，则前方地形为平低地形；其中高地形代表前方将发生上坡、上楼或越障等需要关节主动力矩的运动；矮地形代表前方将发生下坡、下楼等需要关节吸收能量的运动；平地地形代表前方将发生行走、站立等运动。
7.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述高度检测用于计算佩戴者前方地形为高地形时的地形高度，其特征在于，所述地形高度的计算式为：
h＝l-d*cos(25°)
其中，h为前方高地形的高度，l为激光测距传感器安装位置到地面的垂直距离，d为激光测距传感器的输出，即残肢到前方地面的距离。
所述膝关节屈曲角度轨迹规划是通过输入地形高度选择合适的膝关节屈曲角度轨迹，作为电机闭环控制的理想参考轨迹，所述膝关节屈曲角度轨迹运动函数为：
x(t)＝a0+a1t+a2t2+a3t3+a4t4+a5t5
其中，a0...a5为运动参数，t为步态的运动时长，x(t)为位置运动函数，
为速度运动函数，
为加速度运动函数。所述运动参数由地形高度决定；当佩戴者的步态相位由脚尖离地切换至摆动屈曲相位时，电机开始执行跟随所述膝关节屈曲角度轨迹。
所述自适应阻尼控制包括，当佩戴者处于平地地形时，假肢膝关节根据步态检测的结果自动调节关节屈曲的阻尼；在脚跟着地步态相位下，关节的屈曲阻尼为高阻尼；在站立伸展步态相位下，关节的屈曲阻尼为中阻尼；在脚尖离地步态相位下，关节的屈曲阻尼为低阻尼；在摆动屈曲步态相位下，关节的屈曲阻尼为低阻尼；在摆动伸展步态相位下，关节的屈曲阻尼为中阻尼；在静立状态下，关节的屈曲阻尼为高阻尼，此时地形检测开启；若佩戴者停留在某一步态相位，则关节的阻尼状态保持不变，直至检测到步态发生改变。
所述能量回收模块包括传动系统、电机和整流增压电路；当假肢膝关节处于主动模式时，能量回收模式关闭，此时电机通过传动系统将力矩传递至关节处，为处于前方为高地形环境下的假肢膝关节提供主动力矩，实现膝关节的主动屈曲和伸展；当处于被动模式时，能量回收模式开启，膝关节屈曲伸展时通过传动系统驱动电机发电，再通过整流、升压处理将电能进行储存。
在本发明的较佳实施方式中，所述步态检测模块使用假肢上的IMU、腿管内的压力传感器和膝关节转动轴内的IMU三个传感器实现，根据采集到的膝关节角度、垂直压力和大腿角度将步态周期划分为脚跟着地、站立伸展、脚尖离地、摆动屈曲和摆动伸展五个步态相位；静立状态为佩戴者长时间处于站立伸展阶段，此时地形检测启动；当地形检测结果为矮地形时，即前方可能发生下楼梯和下坡等需要关节吸收负功的活动，此时五个步态相位对应的被动控制模式下的阻尼模式均为高阻尼，以确保用户的站立稳定性；当地形检测结果为高地形时，即前方可能发生上楼梯、上坡等需要关节做正功的活动，此时五个步态相位对应的主动控制模式下的阻尼模式为低阻尼，以确保电机驱动关节主动屈曲、伸展的柔顺性；当地形检测结果为平地地形时，根据当前步态相位调节假肢阻尼大小，实现平地行走下的阻尼自适应控制，以适应佩戴者不同的行走速度。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
1.一种主被动混合驱动智能假肢膝关节的控制方法，可以提高假肢的控制效率并降低能耗。在上坡或爬楼梯等需要膝关节提供主动力矩的情况下为患者提供主动力矩；在下坡和下楼梯等场景中需要膝关节吸收能量的情况下为患者提供高阻尼；在平地行走场景下根据佩戴者步态相位实时调节关节阻尼，为佩戴者提供更舒适的行走体验，并通过能量回收模块将被动力矩转化为电机的驱动力矩进行发电，将动能转化为电能存储，增加假肢的工作续航能力。
2.通过激光测距传感器、IMU和压力传感器实现对佩戴者步态相位和前方地形的准确预测，能够确保假肢准确的切换主被动控制模式，同时根据测距结果可计算出前方楼梯或坡道的高度，可为主动控制的膝关节屈曲角度轨迹提供决策数据，帮助佩戴者高效的完成上楼、上坡或越障等需要关节主动力矩的活动。以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一种主被动混合驱动智能假肢膝关节的控制方法的整体示意图。
图2是本发明的一种主被动混合驱动智能假肢膝关节的控制方法的步态检测的流程框图。
图3是本发明的一种主被动混合驱动智能假肢膝关节的控制方法的地形检测和主被动控制的流程框图。
图4是本发明的一种主被动混合驱动智能假肢膝关节的控制方法的主被动控制的流程框图。
图5是本发明的一种主被动混合驱动智能假肢膝关节的控制方法的自适应阻尼控制的流程框图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
图1-5分别是本发明的一种主被动混合驱动智能假肢膝关节的控制方法的整体示意图，步态检测流程图，地形检测流程图，主被动控制流程图，自适应阻尼控制流程图。
如图1所示，一种主被动混合驱动智能假肢膝关节的控制方法的整体示意图，其特征在于，控制方法包括模式识别模块和控制模块。模式识别模块对佩戴者的步态数据和前方地形数据进行预测，为控制模块提供决策数据；控制模块根据模式识别模块提供的数据选择当前的假肢控制模式，同时将假肢膝关节的运动状态进行反馈。
如图2所示，一种主被动混合驱动智能假肢膝关节的控制方法的步态检测流程图，其特征在于，所述步态检测使用假肢上的IMU、腿管内的压力传感器和关节转动轴内的IMU三个传感器实现，根据采集到的膝关节角度、垂直压力和大腿角度将步态周期划分为脚跟着地、站立伸展、脚尖离地、摆动屈曲和摆动伸展五个步态相位；所述步态检测算法首先使用压力信号判别当前步态相位是站立期还是摆动期，当小腿腿管内的压力信号大于阈值a时，佩戴者处于站立期，此时当大腿角度大于0时，步态相位为脚跟着地；当大腿角度小于0且膝关节角度小于阈值b时,步态相位为站立伸展；否则为脚尖离地相位。当小腿腿管内的压力信号小于阈值a时，佩戴者处于摆动期，当大腿角度小于0时，步态相位为摆动屈曲相，否则为摆动伸展相。若佩戴者超过时间阈值t处于站立伸展阶段，则判定佩戴者处于静立状态，此时地形检测启动。
如图3所示，地形检测由步态检测决定是否对佩戴者前方地形进行地形决策，当佩戴者处于静立状态时，安装于佩戴者接受腔正前方的激光传感器对前方地面进行测距，得到佩戴者残肢至前方地面的距离d，根据不同地形下对应的距离d特征，将前方地形分为高地形、矮地形和平地地形；当d处于阈值区间[h1,h2]之间时，则判定前方为平地地形；当d小于阈值h1时，则判定前方地形为高地形，即由于前方地势增高导致佩戴者残肢到地面的距离缩短；当d大于阈值h2时，则判定前方地形为矮地形，即由于前方地势降低而导致佩戴者残肢到地面的距离变长。所述平地地形、高地形和矮地形用于切换假肢膝关节的主被动控制模式，其特征在于，所述平地地形包括平地行走、站立等活动；所述矮地形包括下坡、下楼梯和站立等活动；所述高地形包括上楼梯、上坡和越障等活动；平地地形和矮地形包括的活动不需要膝关节提供主动力矩，而高地形包括的活动需要膝关节提供主动力矩，因此若检测结果为高地形，则切换至主动模式，否则默认为被动模式。
如图4所示，主被动控制包括被动模式和主动模式。所述主动模式包括地形高度检测、膝关节屈曲角度轨迹规划和控制膝关节屈曲轨迹跟随。
所述地形高度检测为膝关节屈曲角度轨迹规划提供决策数据，其特征在于，当检测到高地形时，假肢为主动控制模式。在高地形即主动控制模式下，根据激光测距传感的结果计算前方地形高度，所述地形高度的计算式为：
h＝l-d*cos(25°)
其中，h为前方高地形的高度，l为激光测距传感器安装位置到地面的垂直距离，d为激光测距传感器的输出，即残肢到前方地面的距离。
所述膝关节屈曲角度轨迹规划生成圆滑的假肢膝关节屈曲运动轨迹，为假肢膝关节的闭环控制提供理想跟随曲线，其特征在于，所述膝关节屈曲角度轨迹的运动函数为：
x(t)＝a0+a1t+a2t2+a3t3+a4t4+a5t5
其中，a0...a5为运动参数，t为步态的运动时长，x(t)为位置运动函数，
为速度运动函数，
为加速度运动函数。所述运动参数由地形高度决定，不同高度的楼梯或坡道对应不同的运动参数，即对应不同的膝关节屈曲角度轨迹，帮助佩戴者高效完成上楼、上坡等活动。当假肢选择合适的膝关节屈曲角度轨迹之后，若佩戴者处于摆动屈曲步态相位，假肢膝关节阻尼模式切换至低阻尼模式，同时控制电机驱动假肢跟随轨迹，否则判定为站立相，假肢为高阻尼模式，电机伺服驱动。
所述被动模式包括高阻尼模式、自适应阻尼控制模式和能量回收模式。
所述高阻尼模式用于提供假肢膝关节屈曲锁定功能，确保佩戴者在矮地形环境下的步态稳定性，其特征在于，当地形检测结果为矮地形时，所有步态相位下的阻尼模式均为高阻尼。
如图5所示，自适应阻尼控制模式的流程图，所述自适应阻尼模式用于提供佩戴者平地行走时假肢膝关节根据步态相位实时调节屈曲阻尼的功能，确保佩戴者在不同行走速度下的行走舒适性，其特征在于，脚跟着地相位对应高阻尼模式，站立伸展相位切换至中阻尼模式，脚尖离地和摆动屈曲相位切换至低阻尼模式，摆动伸展相位切换至中阻尼模式。所述低阻尼模式、中阻尼模式和高阻尼模式分别对应假肢液压缸油道阀门的全开、半开和全闭三个状态。
所述能量回收模式用于回收被动模式下的产生的动能，其特征在于，当假肢膝关节处于被动模式时，电机不提供主动力矩，当佩戴者通过残肢惯性带动假肢膝关节屈曲、伸展时，传动系统驱动电机转动发电，整流电路将膝关节屈曲、伸展形成的正反转电流进行整流，通过升压模块将发电电能输入至电池进行充电，提高电池的续航时间。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种主被动混合驱动智能假肢膝关节的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括模式识别模块和控制模块；
所述模式识别模块用于识别佩戴者步态相位和前方地形信息，为控制模块提供决策数据，所述模式识别模块包括步态检测模块和地形检测模块；
所述控制模块根据模式识别模块的决策数据选择对应的控制模式并反馈当前的传感状态，所述控制模式包括被动模式和主动模式；
所述被动模式用于假肢膝关节的阻尼控制，所述被动模式包括高阻尼模式、自适应阻尼模式和能量回收模式；当佩戴者处于静立、脚后跟着地、下楼梯、下坡等状态时，假肢处于高阻尼状态，为假肢提供良好的站立稳定性；假肢初始化状态为高阻尼状态；当佩戴者处于平地行走状态时，所述自适应阻尼模式根据步态相位实时调节假肢的阻尼，同时能量回收模式开启，将机械能转换为电能进行储存；
所述主动模式用于控制假肢膝关节的主动屈曲和伸展，所述主动模式包括膝关节屈曲轨迹规划和控制假肢膝关节进行轨迹跟随；当佩戴者处于上楼梯或上坡等活动状态时，假肢膝关节切换至主动模式，根据前方地形高度进行膝关节屈曲轨迹规划并控制假肢膝关节进行轨迹跟随，实现假肢膝关节的主动屈曲和伸展。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步态检测模块通过获取压力信号、膝关节角度信号和大腿角度信号组合来实现步态相位识别，将一个完整步态周期T分为支撑期和摆动期，即支撑相和摆动相。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述支撑期开始于脚后跟着地结束于脚前掌离地，所述摆动期开始于脚尖离地结束于脚后跟着地；对支撑期和摆动期细分状态阶段最终确定一个步态周期分为脚跟着地、站立伸展、脚尖离地、摆动屈曲、摆动伸展五个相位；若佩戴者处于站立伸展期超过阈值时间t，则处于静立状态，所述静立状态为假肢膝关节的初始状态，此时地形检测开启。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述地形检测模块包括传感器检测和高度检测。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述传感器检测使用激光传感器安装于佩戴者的残肢接受腔正前方，并与地面垂直面形成25°夹角，激光传感器采集到的数据即为佩戴者残肢到前方地形的距离；根据佩戴者残肢到前方地形的不同距离特征，将地形类型分为平地地形、高地形和矮地形三种。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述地形类型的分别为：当佩戴者处于静立状态时，若距离大于阈值h1，则前方地形为矮地形；若距离小于阈值h2，则前方地形为高地形；若距离在区间[h2，h1]之间，则前方地形为平低地形；其中高地形代表前方将发生上坡、上楼或越障等需要关节主动力矩的运动；矮地形代表前方将发生下坡、下楼等需要关节吸收能量的运动；平地地形代表前方将发生行走、站立等运动。
7.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述高度检测用于计算佩戴者前方地形为高地形时的地形高度，其特征在于，所述地形高度的计算式为：
h＝l-d*cos(25°)
其中，h为前方高地形的高度，l为激光测距传感器安装位置到地面的垂直距离，d为激光测距传感器的输出，即残肢到前方地面的距离。
8.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述膝关节屈曲角度轨迹规划是通过输入地形高度选择合适的膝关节屈曲角度轨迹，作为电机闭环控制的理想参考轨迹，所述膝关节屈曲角度轨迹运动函数为：
x(t)＝a0+a1t+a2t2+a3t3+a4t4+a5t5
其中，a0...a5为运动参数，t为步态的运动时长，x(t)为位置运动函数，
为速度运动函数，
为加速度运动函数；所述运动参数由地形高度决定；当佩戴者的步态相位由脚尖离地切换至摆动屈曲相位时，电机开始执行跟随所述膝关节屈曲角度轨迹。
9.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述自适应阻尼控制包括，当佩戴者处于平地地形时，假肢膝关节根据步态检测的结果自动调节关节屈曲的阻尼；在脚跟着地步态相位下，关节的屈曲阻尼为高阻尼；在站立伸展步态相位下，关节的屈曲阻尼为中阻尼；在脚尖离地步态相位下，关节的屈曲阻尼为低阻尼；在摆动屈曲步态相位下，关节的屈曲阻尼为低阻尼；在摆动伸展步态相位下，关节的屈曲阻尼为中阻尼；在静立状态下，关节的屈曲阻尼为高阻尼，此时地形检测开启；若佩戴者停留在某一步态相位，则关节的阻尼状态保持不变，直至检测到步态发生改变。
10.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述能量回收模块包括传动系统、电机和整流增压电路；当假肢膝关节处于主动模式时，能量回收模式关闭，此时电机通过传动系统将力矩传递至关节处，为处于前方为高地形环境下的假肢膝关节提供主动力矩，实现膝关节的主动屈曲和伸展；当处于被动模式时，能量回收模式开启，膝关节屈曲伸展时通过传动系统驱动电机发电，再通过整流、升压处理将电能进行储存。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117442398A (zh) * | 2023-12-22 | 2024-01-26 | 浙江强脑科技有限公司 | 基于步态差异的智能假肢调整方法、装置、终端及介质 |
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2022
- 2022-12-15 CN CN202211612998.1A patent/CN115887076A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117442398A (zh) * | 2023-12-22 | 2024-01-26 | 浙江强脑科技有限公司 | 基于步态差异的智能假肢调整方法、装置、终端及介质 |
| CN117442398B (zh) * | 2023-12-22 | 2024-04-09 | 浙江强脑科技有限公司 | 基于步态差异的智能假肢调整方法、装置、终端及介质 |
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