智能液壓假肢膝關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

孫金悅 喻洪流 汪曉銘 陳長龍

摘 要：安裝假肢是當前下肢截肢患者恢復行走能力的唯一手段。設(shè)計一種基于膝關(guān)節(jié)阻尼仿生機理的智能液壓假肢膝關(guān)節(jié)，在此基礎(chǔ)上提出假肢膝關(guān)節(jié)整體控制方案，包括步態(tài)相位識別、步速自適應、路況識別等，并采用分布式思想搭建假肢膝關(guān)節(jié)硬件系統(tǒng)，完成基于STM32F407單片機的主控單元硬件電路設(shè)計。實驗結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)可以使假肢膝關(guān)節(jié)近似實現(xiàn)期望的運行規(guī)律，為智能液壓假肢膝關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的進一步完善奠定了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：智能膝關(guān)節(jié);控制系統(tǒng);單片機;阻尼仿生

DOI：10. 11907/rjdk. 201453 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）007-0089-05

The Design and Implementation of Control System for

Intelligent Hydraulic Prosthetic Knee

SUN Jin-yue1，2，3， YU Hong-liu1，2，3， WANG Xiao-min1，2，3， CHEN Chang-long1，2，3

（1.Institute of Rehabilitation Engineering and Technology， University of Shanghai for Science and Technology;2.Shanghai Engineering Research Center of Assistive Devices;3.Key Laboratory of Neural-functional Information and Rehabilitation Engineering of the Ministry of Civil Affairs，Shanghai 200093，China）

Abstract： The only way to restore the walking ability of lower limb amputation patientsis is to install lower limb prosthesis. This paper designs an intelligent hydraulic prosthetic knee based on the bionic damping mechanism of knee. On this basis， the integrated control method of prosthetic knee joint is proposed， including the control scheme of gait phase recognition， step speed self-adaptation and road condition recognition. The hardware system of prosthetic knee joint is built by using distributed thought， and the hardware circuit design of main control unit based on STM32F407 MCU is completed. The experimental results show that the control system and software designed in this paper can achieve the desired operation law of prosthetic knee. It lays a theoretical foundation for the further improvement of intelligent hydraulic prosthetic knee control system.

Key Words： intelligent prosthetic knee; control system; MCU; damping bionic

0 引言

據(jù)2010年中國殘疾人聯(lián)合會統(tǒng)計，我國肢體殘疾患者約為2 472萬人，其中下肢截肢者約有220萬人[1]。隨著工業(yè)事故和交通事故逐年增加，大腿截肢患者數(shù)量正以驚人的速度上升，極大地增加了家庭與社會負擔[23]。

對軀干肢體不同程度的截除，對患者身體和心理都造成了嚴重影響，大部分截肢患者術(shù)后都具有一定程度的焦慮、抑郁、悲觀、絕望等不良情緒[4]。限于目前醫(yī)療水平還不能達到再生肢體的程度，安裝假肢成為下肢截肢患者恢復活動的唯一手段，因此國內(nèi)外針對下肢假肢進行了長時間研究[5]。鑒于膝關(guān)節(jié)在正常行走過程中的重要性，假肢膝關(guān)節(jié)作為下肢假肢中的關(guān)鍵部位，其研發(fā)是目前滿足下肢截肢者基本活動需求的一項迫切任務。

智能仿生膝關(guān)節(jié)假肢的智能感知與控制策略是國內(nèi)外針對智能膝關(guān)節(jié)假肢的兩個重點研究方向。智能感知是建立在智能膝關(guān)節(jié)假肢仿生結(jié)構(gòu)之上的，只有對機械本體結(jié)構(gòu)進行仿生設(shè)計，才能通過與人體生理膝關(guān)節(jié)相似的工作機理，獲得眾多運動學、力學、生理學等特征信息。在此基礎(chǔ)上，采用合適的實時特征參數(shù)制定智能控制策略，用于膝關(guān)節(jié)假肢整體控制目標，使之達到生理步態(tài)。

智能膝關(guān)節(jié)假肢依據(jù)是否可以為人體提供主動力矩分為：被動型膝關(guān)節(jié)假肢、主被動混合型膝關(guān)節(jié)假肢、主動型膝關(guān)節(jié)假肢[6]。主被動混合型和主動型膝關(guān)節(jié)假肢的動力源包括電機、氣動肌肉以及微型液壓泵等，可提供主動力矩以驅(qū)動膝關(guān)節(jié)屈曲與伸展[7]。但由于提供主動力的驅(qū)動器自身重量尺寸遠超過人體生理關(guān)節(jié)，主被動混合型和主動型膝關(guān)節(jié)假肢與人體生理膝關(guān)節(jié)工作機理截然不同，此外電源容量也滿足不了主動型和主被動混合型假肢的續(xù)航時間要求，且具有較大的運行噪聲以及難以小型化的技術(shù)瓶頸，因此目前國內(nèi)外大多數(shù)學者仍主要針對智能被動型膝關(guān)節(jié)假肢展開研究[8]，如表1所示。

隨著國家經(jīng)濟水平的提高，殘疾人的支付能力也得到大幅提升，對改善生活質(zhì)量的需求越來越迫切，因而大大促進了假肢智能化的發(fā)展。智能假肢通常指具有正常人膝關(guān)節(jié)運動特性的一類假肢，在患者變速控制以及步態(tài)對稱性和跟隨性等方面與正常人趨近，具有良好的仿生性能[21-22]。因此，在智能假肢膝關(guān)節(jié)控制過程中，要求在步態(tài)支撐期保證穩(wěn)定性，在步態(tài)擺動期具備良好的靈活性，這也是目前下肢假肢設(shè)計中需要實現(xiàn)的功能目標。

1 實驗樣機結(jié)構(gòu)與功能設(shè)置

本文設(shè)計的智能膝關(guān)節(jié)假肢液壓阻尼缸工作原理如圖1所示，液壓阻尼系統(tǒng)有兩個相互獨立的旋塞閥1、2，分別調(diào)節(jié)膝關(guān)節(jié)假肢的屈曲和伸展阻尼，旋轉(zhuǎn)直線電機調(diào)節(jié)旋塞閥閥門開度，可實現(xiàn)從低阻尼到高阻尼的連續(xù)控制。當膝關(guān)節(jié)假肢屈曲時，活塞7受到人體體重的作用向下運動，液壓油從阻尼液壓缸下腔流經(jīng)旋塞閥1進入液壓補償缸B，并流經(jīng)單向閥4a進入液壓阻尼缸上腔，如圖1中紅色箭頭流向，在該過程中助伸彈簧被壓縮;當膝關(guān)節(jié)假肢伸展時，活塞7向上運動，液壓油從液壓阻尼缸上腔流經(jīng)旋塞閥2，并從液壓補償缸B一起流經(jīng)單向閥4b進入液壓阻尼缸下腔，如圖1（彩圖掃描OSID碼可見）中藍色箭頭流向，在該過程中被壓縮的助伸彈簧釋放儲存的能量，起到輔助膝關(guān)節(jié)假肢伸展的作用。

智能液壓膝關(guān)節(jié)假肢功能樣機如圖2所示，主體結(jié)構(gòu)包括膝關(guān)節(jié)假肢部分、小腿管部分以及假腳部分。其中在膝關(guān)節(jié)假肢的上連桿內(nèi)置慣性傳感器，用于測量截肢側(cè)大腿傾斜角度以及擺動加速度，同樣在位于膝關(guān)節(jié)假肢外殼的控制面板上設(shè)置慣性傳感器，用于測量膝關(guān)節(jié)假肢傾斜角度及擺動加速度;在膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸處設(shè)置角度傳感器，用于直接測量膝關(guān)節(jié)運動角度;在小腿腿管處設(shè)置壓力傳感器，用于測量穿戴膝關(guān)節(jié)假肢行走時地面對其的反作用力。

2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

下肢假肢作為缺失肢體的代替物，除裝飾作用外，更需要實現(xiàn)功能代償，恢復身體支撐、行走等各種功能。假肢膝關(guān)節(jié)是整個下肢假肢系統(tǒng)中實現(xiàn)運動功能最關(guān)鍵的部位。高性能的智能假肢膝關(guān)節(jié)系統(tǒng)應能滿足以下功能：①在靜止或步態(tài)支撐期可保證穩(wěn)定性，以保障患者安全;②擺動中期保證足夠的離地間隙，避免腳尖與地面碰撞;③擺動期膝關(guān)節(jié)角度應盡可能與健側(cè)接近，實現(xiàn)良好的步態(tài)對稱性;④可適應不同步行速度的變化;⑤可適應不同的路況變化。

本文針對以上功能需求對假肢膝關(guān)節(jié)樣機控制系統(tǒng)進行設(shè)計，假肢膝關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架如圖3所示。

其中，假肢膝關(guān)節(jié)整體控制框架如圖4所示，其控制核心是對假肢膝關(guān)節(jié)在不同路況下支撐相與擺動相的控制。

整個控制系統(tǒng)由步態(tài)相位識別模塊、路況識別模塊、步速檢測模塊、電量檢測模塊，以及位置伺服系統(tǒng)等部分組成。步態(tài)相位識別模塊是整個控制系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)，只有在特定步態(tài)時相下進行不同的阻尼控制才能使假肢膝關(guān)節(jié)擺動符合正常人下肢規(guī)律，從而匹配健側(cè)行走;路況識別模塊可通過識別不同路況，使假肢膝關(guān)節(jié)執(zhí)行對應步態(tài)模式以滿足在各個路況下行走的需求;步速檢測模塊用于檢測當前行走的步速，為伺服位置控制系統(tǒng)提供電機運行的目標位置，是步速自適應功能實現(xiàn)的基礎(chǔ);電量檢測模塊主要用于檢測假肢膝關(guān)節(jié)工作電壓，防止電量不足導致假肢膝關(guān)節(jié)工作異常，并使假肢膝關(guān)節(jié)處于防彎曲狀態(tài)，以降低摔倒幾率;位置伺服系統(tǒng)可保證所研制假肢膝關(guān)節(jié)內(nèi)部執(zhí)行機構(gòu)運行位置的精準性，即精確控制針閥開度位置。本研究主要通過監(jiān)測各傳感器信號，對截肢患者步態(tài)運動信息進行分析，判別假肢膝關(guān)節(jié)狀態(tài)及步行速度，進而通過控制針閥開度位置調(diào)控假肢膝關(guān)節(jié)阻尼力矩，從而達到使人體與假肢膝關(guān)節(jié)協(xié)同工作的目的。本研究采用的控制方法可歸納為利用基于LM優(yōu)化算法的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)路況離線識別，并應用迭代學習算法搭建步速知識庫實現(xiàn)步速自適應，以及在不同路況下采用基于有限狀態(tài)機的控制方法實現(xiàn)步態(tài)相位的阻尼控制。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文設(shè)計的智能假肢膝關(guān)節(jié)系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能包括運行步態(tài)狀態(tài)檢測、人體步行速度檢測與自適應控制、路況狀態(tài)檢測與分類、電機閉環(huán)控制等功能。為提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及運行的實時性，也為了能更方便地調(diào)試系統(tǒng)，本文采用分布式架構(gòu)思想搭建硬件控制系統(tǒng)。由于ST公司可提供一系列用于開發(fā)的固件庫函數(shù)，其生產(chǎn)的STM32系列處理器采用工業(yè)標準的嵌入式處理器，并在結(jié)構(gòu)上使用哈佛結(jié)構(gòu)，具有獨立的數(shù)據(jù)和地址總線，使得數(shù)據(jù)存儲與讀取更加可靠，而且開發(fā)環(huán)境具有良好的可視化界面，故本文分別采用基于Cortext-M4內(nèi)核的STM32F407單片機與基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103單片機構(gòu)成主從單元控制器，進而實現(xiàn)上述整體功能。整個硬件系統(tǒng)分為兩塊電路板，并嚴格限制電路板面積，以盡量節(jié)省空間。因此，系統(tǒng)被安裝在假肢膝關(guān)節(jié)樣機外殼兩邊，且采用12V鋰電池供電，器件選擇及運行模式需考慮低功耗要求。此外，系統(tǒng)執(zhí)行部件為兩個直線步進電機，具有強干擾特性，因此需要提升系統(tǒng)的抗干擾能力。

根據(jù)系統(tǒng)整體功能要求，本文硬件系統(tǒng)可分為以下幾個主要模塊進行搭建：殘肢端運動學檢測模塊、步態(tài)相位檢測模塊、膝關(guān)節(jié)角度檢測模塊、步速檢測模塊、兩板之間通信模塊、與上位機的通信模塊、電機驅(qū)動模塊以及指示提醒模塊等。硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖5所示，該硬件系統(tǒng)是智能假肢膝關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)，也是基于智能算法等相關(guān)軟件運行的載體。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)制定的假肢膝關(guān)節(jié)控制方案，主控單元功能主要為采集與處理傳感器數(shù)據(jù)、與從機模塊和上位機進行通信等。針對該主控制單元系統(tǒng)的軟件設(shè)計分為主程序設(shè)計和中斷服務程序設(shè)計兩部分。主程序整體框架如圖6所示。

5 假肢測試平臺實驗

人體步態(tài)最重要的一個特點就是左右兩側(cè)具有運動對稱性，因此可利用步態(tài)對稱性對步態(tài)運動控制及行走功能進行評定。針對步態(tài)對稱性，可用許多指標進行描述，本文采用對稱指標SI評估患者穿戴所研制假肢膝關(guān)節(jié)的行走步態(tài)對稱性[23]。

SI計算公式如下：

其中，[XR]為健康腿步態(tài)周期時間，[XL]為殘側(cè)腿步態(tài)周期時間，步態(tài)理想對稱時，SI逼近于0。當SI小于10%時，可評估為步態(tài)對稱性良好。

運用假肢測試平臺進行實驗，在跑步機上設(shè)定不同檔位，對健側(cè)和假肢側(cè)步態(tài)數(shù)據(jù)進行采集并作對比，采用絕對對稱指標SI說明系統(tǒng)控制下的行走性能，進而說明該控制系統(tǒng)性能以及方案的可行性。實驗測試過程如圖7所示。

在跑步機上設(shè)定步速為2.0m/s，利用假肢測試平臺采集與記錄兩側(cè)膝關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)如圖8-圖10所示。在2.0m/s的行走步速下，膝關(guān)節(jié)最大屈曲目標角度為68°，從圖8中可以看出，假肢側(cè)最大屈曲角度不斷逼近健側(cè)角度，步態(tài)的仿生性和對稱性逐步提高。

在跑步機上設(shè)定步速為1.4m/s，利用假肢測試平臺采集與記錄兩側(cè)膝關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)如圖9所示。在1.4m/s的行走步速下，膝關(guān)節(jié)最大屈曲目標角度為62°。從圖中可以看出，假肢側(cè)最大屈曲角度不斷逼近健側(cè)角度，步態(tài)的仿生性和對稱性逐步提高。

在跑步機上設(shè)定步速為0.8m/s，利用假肢測試平臺采集與記錄兩側(cè)膝關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)如圖10所示。在0.8m/s的行走步速下，膝關(guān)節(jié)最大屈曲目標角度為57°。從圖中可以看出，假肢側(cè)最大屈曲角度不斷逼近健側(cè)角度，步態(tài)的仿生性和對稱性逐步提高。

由圖可知，無論在哪一檔步速下，膝關(guān)節(jié)最大屈曲角度都逐漸達到目標控制角度，逼近健側(cè)的最大屈曲值。由此證明，控制系統(tǒng)的步態(tài)校正方案是可行的。控制信號可使假肢近似實現(xiàn)期望的運行規(guī)律，較好地驗證了該控制系統(tǒng)性能的優(yōu)越性。

6 結(jié)語

本文研制一款被動型的智能液壓假肢膝關(guān)節(jié)樣機，借鑒分層設(shè)計思想，并結(jié)合智能學習算法以及傳感器技術(shù)、單片機技術(shù)、機電控制技術(shù)等，實現(xiàn)了一個智能液壓假肢膝關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)，可使下肢截肢患者以近似正常步態(tài)行走活動，大大擴展了患者日?；顒臃秶?/p>

對于人體下肢運動而言，膝關(guān)節(jié)可歸納為一個高度非線性、時變、強耦合的系統(tǒng)。智能假肢膝關(guān)節(jié)系統(tǒng)研制需要多學科交叉技術(shù)，如生物醫(yī)學工程、信號系統(tǒng)分析、傳感器技術(shù)等，是一個復雜的人機系統(tǒng)。本文設(shè)計的智能假肢膝關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)雖然具有一定創(chuàng)新性，功能也達到預期效果，但后續(xù)仍有待進一步完善。

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（責任編輯：黃 ?。?/p>