本发明专利技术主动型膝上假肢膝关节的预测控制方法，涉及膝关节的控制，步骤是：离线采集所需实验者的基本信息数据，生成数据报告；建立下肢假肢膝关节运动的分段仿射系统模型；根据控制性能指标对系统的状态区域进行凸划分，得到控制律；控制策略的在线控制过程。该方法对人体下肢假肢进行分段仿射系统建模和建立显式的模型预测控制器，能够用该控制器完成假肢的闭环控制，使控制器与外界环境进行实时的信息交换，提高控制精度，保证产品的安全性，并且将建模工作与优化问题求解规划过程放在离线过程进行，在线控制时只需要进行查表和简单的计算即可，能够降低处理器能耗，有利于提高产品续航能力。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术的技术方案涉及膝关节的控制，具体地说是主动型膝上假肢膝关节的预测 控制方法。
技术介绍
主动型膝上假肢作为一类能够为膝关节以上截肢者提供膝关节助力和良好地完 成对健肢的跟踪的产品，其控制性能好坏既影响截肢者的舒适体验，也决定着产品的安全 性能。 CN1088988C公开了一种膝上型假肢，能够通过微处理器进行常见步态控制，通过 直接给入控制信号进行膝关节角度的调整；CN 201110456535. 6公开了假肢膝关节运动的 控制方法，提出的是一种简单的通过霍尔传感器判定步态、步速后直接给出设定好的控制 信号来控制假肢的行走；CN 201010589305. 2和CN 103750927A均着重介绍了下肢假肢自 动训练专家知识库的方法，提出了使用迭代学习的方法来寻找使得假肢和健肢侧步态周期 相差最小的不同步态下使得对称性最好的假肢膝关节控制量来进行假肢的控制；目前最常 见的主动型假肢控制方法为基于有限状态机的专家控制，该方法对不同的运动情况建立不 同的控制信号曲线，控制假肢时通过判断当前运动状态，直接选择已经设定好的控制信号。 上述所有的现有假肢膝关节运动的控制方法实现的是"识别步态一一给出设定控制信号" 的控制过程，这种依靠"设定好的控制信号"来进行控制是开环的，没有反馈机制的系统，缺 乏自动修正和补偿能力。而一般的闭环控制算法，涉及到在线建模和训练问题，时效性低， 对处理器的计算性能要求高，都是依靠牺牲控制器的运行效率来获取比较好的控制信号， 实时性较差并且不利于主动型假肢产品的续航。 鉴于现有假肢膝关节运动的控制技术中存在的上述缺陷，现今对于假肢膝关节运 动的控制，出于能耗性的要求，需要研发一种在线工作量小、控制精度足够高并且能够实现 控制量与系统状态时刻进行信息交换的控制算法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供，该 方法对人体下肢假肢进行分段仿射系统建模和建立显式的模型预测控制器，能够用该控制 器完成假肢的闭环控制，使控制器与外界环境进行实时的信息交换，提高控制精度，保证产 品的安全性，并且将建模工作与优化问题求解规划过程放在离线过程进行，在线控制时只 需要进行查表和简单的计算即可，能够降低处理器能耗，有利于提高产品续航能力。 本专利技术解决该技术问题所采用的技术方案是：主动型膝上假肢膝关节的预测控制 方法，步骤如下： 第一步，离线采集所需实验者的基本信息数据，生成数据报告： 采用包括6个高速MX红外拍摄头、MX组件、PC主机和MX外围套件的Vicon MX三 维步态分析系统，在膝关节、大腿、小腿、踝关节、脚趾和足跟六个下肢部位左右侧各贴6个 红外反光点，根据以上位置粘贴的红外反光点，将实验者的身高、体重、腿长、鹘宽度、膝关 节宽度和踝关节宽度这些基本信息，输入到上述Vicon MX三维步态分析系统中，先初始化 建立静态模型，采集上述基本信息后，补齐遗漏的标记点并在软件中仿真出行走视频，生成 完整的步态信息，最后加载动态模型，用Polygon软件导出数据，由此获取受试者在不同路 况条件下的用于离线分析与建模的膝关节角度信号和膝关节力矩信号，并生成数据报告， 上述 MX 组件包括 MX Net，MX Link 和 MX Control ; 第二步，建立下肢假肢膝关节运动的分段仿射系统模型： 人体正常行走时，按站立弯曲、站立伸展、摆动弯曲和摆动伸展四个阶段顺序进 行，对上述每个阶段的膝关节运动曲线和力矩曲线建立带仿射常数的线性模型，即为分段 仿射系统模型，切换点为膝关节曲线的各个极值点，离线建立下肢假肢膝关节运动的分段 仿射系统模型的过程如下： 通过第一步实验采集到的膝关节角度数据经过一步微分计算，得到膝关节摆动的 角速度，即膝关节角速度公式： 公式（1)中：vel代表膝关节角速度变量，Θ代表膝关节角度，k为采样时刻，At 为采样周期，即两次采样时刻间的差值， 在该阶段，将膝关节角速度vel曲线与膝关节力矩tor曲线与之对应的数据段进 行分析，将两段曲线分成对应的4~50的段数，以分段点为特征点进行连线，即完成了对两 条曲线的近似线性化处理，两条曲线的分段点是一致的，因此两条曲线的分段个数是一致 的，横坐标为时间轴，按照两点式求线性函数方法，得到两段对应的线性函数表达式为： vel (k) = (2) tor (k) = a2t+b2 (3) 公式⑵和⑶中：vel代表膝关节角速度变量，tor代表膝关节力矩变量，k为采 样时刻， ai, a2, Id1, 1^2为函数表达式的系数，t为坐标横轴，代表时间变量， 将膝关节角速度公式（1)代人公式（2)和（3)中，消去参数t，得到膝关节角度变 量Θ和膝关节力矩变量tor的关系： Θ (k+Ι) = Θ (k)+b*tor(k)+f，Θ e Ω (4) 公式（4)中：Θ代表膝关节角度变量，tor代表膝关节力矩变量，b、f为数学模型 系数。Ω是当前膝关节角度的区间，也是该子系统的边界条件， 该线性的表达式所代表的系统就称为仿射系统，将膝关节角速度变量vel曲线与 膝关节力矩变量tor曲线按照该方法处理完毕，得到下肢假肢膝关节运动的分段仿射模 型； 第三步，根据控制性能指标对系统的状态区域进行凸划分，得到控制律： 对于预测控制，需要求解预测控制性能指标： 公式（5)中：P、Q和R分别为系统的终端状态权值矩阵、状态权值矩阵和输入权值 矩阵，通过经验来确定具体数值，N为预测时域，u代表系统控制信号，实际控制中u为膝关 节力矩变量tor，X代表系统的状态向量，X = '，xN为预测时域内的最终时刻的 状态，k为采样时刻， 根据多参数规划理论，完成对系统的状态空间的凸划分，并计算得到对应每一状 态空间区域的控制律，表示为： Ui= f iX+gi, X e CRi, i = I,..., η (6) 公式（6)中：u即为膝关节力矩变量tor，χ为系统的状态向量，f，g为控制律系数 矩阵，η为凸规划后分区总数，i为当前系统的状态所处分区， 将系统的状态空间划分完毕，得到η个公式（6)表示的控制律，即完成了状态分区 与离线控制律的求解； 第四步，控制策略的在线控制过程： 在正常步态的情况下，健肢先行，假肢跟踪健肢来完成行走过程，因此将采集到健 肢侧膝关节运动轨迹作为参考轨迹ref，前一时刻的控制信号u即膝关节力矩变量tor和 当前的假肢膝关节角度变量Θ同时作为系统的状态，来进行控制信号的计算，主动型假肢 开始运动时，系统的状态向量X = '与上述第三步得到的状态分区进行匹配，判 断当前χ正处于哪个区间，同时得到当前区间对应的控制律，将系统的状态向量χ代入公式 (6)，则直接运算得到当前系统需要的控制信号u，即实现了控制策略的在线控制过程。 上述，其中所用到的设备均由公知途径获 得。 本专利技术的有益效果是：与现有技术相比，本专利技术突出的实质性特点如下： (1)本专利技术方法的理论依据详细说明如下： 将膝关节力矩变量tor作为主动型膝上假肢膝关节控制信号u，输出为膝关节角 度变量Θ信号，两者间的非线性关系加大了求解最优控制信号的难度。分段仿射系统理 论可以用来描述复杂的非线性系统，它适用于带有"切换"问题的非线性系统。从非线性系 统的泰勒函数本文档来自技高网...
【技术保护点】
主动型膝上假肢膝关节的预测控制方法，其特征在于步骤如下：第一步，离线采集所需实验者的基本信息数据，生成数据报告：采用包括6个高速MX红外拍摄头、MX组件、PC主机和MX外围套件的Vicon MX三维步态分析系统，在膝关节、大腿、小腿、踝关节、脚趾和足跟六个下肢部位左右侧各贴6个红外反光点，根据以上位置粘贴的红外反光点，将实验者的身高、体重、腿长、骻宽度、膝关节宽度和踝关节宽度这些基本信息，输入到上述Vicon MX三维步态分析系统中，先初始化建立静态模型，采集上述基本信息后，补齐遗漏的标记点并在软件中仿真出行走视频，生成完整的步态信息，最后加载动态模型，用Polygon软件导出数据，由此获取受试者在不同路况条件下的用于离线分析与建模的膝关节角度信号和膝关节力矩信号，并生成数据报告，上述MX组件包括MX Net，MX Link和MX Control；第二步，建立下肢假肢膝关节运动的分段仿射系统模型：人体正常行走时，按站立弯曲、站立伸展、摆动弯曲和摆动伸展四个阶段顺序进行，对上述每个阶段的膝关节运动曲线和力矩曲线建立带仿射常数的线性模型，即为分段仿射系统模型，切换点为膝关节曲线的各个极值点，离线建立下肢假肢膝关节运动的分段仿射系统模型的过程如下：通过第一步实验采集到的膝关节角度数据经过一步微分计算，得到膝关节摆动的角速度,即膝关节角速度公式：vel.(k)=θ(k+1)-θ(k)Δt---(1)]]>公式(1)中：vel代表膝关节角速度变量，θ代表膝关节角度，k为采样时刻，Δt为采样周期，即两次采样时刻间的差值，在该阶段，将膝关节角速度vel曲线与膝关节力矩tor曲线与之对应的数据段进行分析，将两段曲线分成对应的4～50的段数，以分段点为特征点进行连线，即完成了对两条曲线的近似线性化处理，两条曲线的分段点是一致的，因此两条曲线的分段个数是一致的，横坐标为时间轴，按照两点式求线性函数方法，得到两段对应的线性函数表达式为：vel(k)＝a1t+b1 (2)tor(k)＝a2t+b2 (3)公式(2)和(3)中：vel代表膝关节角速度变量，tor代表膝关节力矩变量，k为采样时刻，a1,a2,b1,b2为函数表达式的系数，t为坐标横轴，代表时间变量，将膝关节角速度公式(1)代人公式(2)和(3)中，消去参数t，得到膝关节角度变量θ和膝关节力矩变量tor的关系：θ(k+1)＝θ(k)+b*tor(k)+f,θ∈Ω (4)公式(4)中：θ代表膝关节角度变量，tor代表膝关节力矩变量，b、f为数学模型系数。Ω是当前膝关节角度的区间，也是该子系统的边界条件，该线性的表达式所代表的系统就称为仿射系统，将膝关节角速度变量vel曲线与膝关节力矩变量tor曲线按照该方法处理完毕，得到下肢假肢膝关节运动的分段仿射模型；第三步，根据控制性能指标对系统的状态区域进行凸划分，得到控制律：对于预测控制，需要求解预测控制性能指标：J=||PX(N)||2+Σk=0N-1(||Qx(k)||2+||Ru(k)||2)---(5)]]>公式(5)中：P、Q和R分别为系统的终端状态权值矩阵、状态权值矩阵和输入权值矩阵，通过经验来确定具体数值，N为预测时域，u代表系统控制信号，实际控制中u为膝关节力矩变量tor，x代表系统的状态向量，x＝[θ,u,ref]'，xN为预测时域内的最终时刻的状态，k为采样时刻，根据多参数规划理论，完成对系统的状态空间的凸划分，并计算得到对应每一状态空间区域的控制律，表示为：ui＝fix+gi,x∈CRi,i＝1,...,n (6)公式(6)中：u即为膝关节力矩变量tor，x为系统的状态向量，f，g为控制律系数矩阵，n为凸规划后分区总数，i为当前系统的状态所处分区，将系统的状态空间划分完毕，得到n个公式(6)表示的控制律，即完成了状态分区与离线控制律的求解；第四步，控制策略的在线控制过程：在正常步态的情况下，健肢先行，假肢跟踪健肢来完成行走过程，因此将采集到健肢侧膝关节运动轨迹作为参考轨迹ref，前一时刻的控制信号u即膝关节力矩变量tor和当前的假肢膝关节角度变量θ同时作为系统的状态，来进行控制信号的计算，主动型假肢开始运动时，系统的状态向量x＝[θ,u,ref]'与上述第三步得到的状态分区进行匹配，判断当前x正处于哪个区间，同时得到当前区间对应的控制律，将系统的状态向量x代入公式(6)，则直接运算得到当前系统需要的控制信号u，即实现了控制策略的在线控制过程。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张燕，张永昌，宣博凯，陈玲玲，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津;12
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