一种假肢膝关节控制方法技术

本发明专利技术公开了一种假肢膝关节控制方法，其特征在于，处理器建立假肢简化模型，根据安装在假脚上的压力传感器，采集地面支反力数据，再根据安装在假腿膝关节的角度传感器，得到膝关节转角数据；根据所述支反力数据和所述膝关节转角数据，对照步态数据库中的数据，所述处理器进行步态周期识别和运动状态识别；所述处理器根据运动状态识别，控制液压缸阻尼大小，改变假肢动作。本发明专利技术克服了气压缸支撑相时力矩不足的缺点，提出了假肢使用者在不同运动状态下的控制方法，让其能够更加自然的进行运动。

A control method of prosthesis knee joint

【技术实现步骤摘要】
一种假肢膝关节控制方法
本专利技术涉及通信
，尤其涉及一种假肢膝关节控制方法。
技术介绍
根据资料显示，因为疾病、交通事故、工伤、自然灾害等因素，大腿截肢患者人数逐年增加，对患者家庭及社会造成了很大的负担，而安装假肢可以让大腿截肢患者恢复行动能力。现在市场上的假肢一般为机械式假肢，通过提供固定阻尼，用机械结构运作让人带动假肢运动，十分不便。随着电子信息技术的发展，为了让假肢使用者的运动更方便，运用控制元件来动态调整关节动态以适应穿戴者行走状态的智能假肢随之产生。目前存在着运用霍尔传感器和气缸阻尼的假肢膝关节的控制方法，该方法首先由假肢穿带者携带信号采集盒用来确定支撑相到摆动相控制的分界位置和假肢膝关节的锁死位置安装霍尔传感器。然后通过微处理器检测步态周期来判断步行速度，通过霍尔传感器判断步态时相，通过微处理器控制气腔针阀开度调整阻尼实现阻尼随步速进行调整。最后根据控制程序，在到达分界位置时，气腔针阀按照该步行速度下对应的开度值运动，到达锁死位置时，气腔针阀保持完全关闭，使阻尼到达最大值，将假肢膝关节锁死。但运用霍尔传感器的控制方法需要首先采集使用者的步态信息再进行传感器的安装，然后再进行控制，使用起来较为不便。它所使用的阻尼器为气缸阻尼器，由于气体比较容易压缩，无法提供较高的力矩，在支撑相期间很难达到理想的效果。而且所提供的控制方法仅是在平地上不同步速的控制方法，并未考虑上下坡、上下楼梯等其他典型运动状态。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的缺陷，本专利技术提供一种假肢膝关节控制方法，让智能假肢识别出假肢使用者的运动状态并提供所在运动状态所需要的阻尼，进行动态调节，让假肢使用者更加自然、灵活的进行运动。本专利技术提供的一种假肢膝关节控制方法，其改进之处在于，处理器建立假肢简化模型，根据安装在假脚上的压力传感器，采集地面支反力数据，再根据安装在假腿膝关节的角度传感器，得到膝关节转角数据；根据所述支反力数据和所述膝关节转角数据，对照步态数据库中的数据，所述处理器进行步态周期识别和运动状态识别；所述处理器根据运动状态识别，控制液压缸阻尼大小，改变假肢动作。其中，安装在假脚上的压力传感器包括：安装在假脚前脚掌中心位置的第一压力传感器和安装在假脚后脚掌中心位置的第二压力传感器；所述第一压力传感器和所述第二压力传感器均采用薄片式压电式压力传感器，将压力转为电压形式输出到所述处理器。其中，所述处理器进行步态周期识别，将步态周期分为支撑相和摆动相，再进行运动状态识别，包括：水平站立：膝关节转角约等于0°；前脚掌压力近似等于后脚掌压力；上坡站立：膝关节转角约等于0°；前脚掌压力大于后脚掌压力；下坡站立：膝关节转角约等于0°；前脚掌压力小于后脚掌压力；站立到上坡运动：若以假肢为支撑腿，则前脚掌压力增大为原来2倍；若以健康腿为支撑腿，则假肢膝关节转角由0°增大，假脚离地后前脚掌压力和后脚掌压力为0；站立到下坡运动：若以假肢为支撑腿，则前脚掌压力增大为原来2倍；若以健康腿为支撑腿，则假肢膝关节转角由0°增大，假脚离地后前脚掌压力和后脚掌压力为0；站立到平地运动：若以假肢为支撑腿，则前脚掌压力增大为原来2倍；若以健康腿为支撑腿，则假肢膝关节转角由0°增大，假脚离地后前脚掌压力和后脚掌压力为0；上坡运动到平地运动：支撑相膝关节转角约等于0°时，由前脚掌压力大于后脚掌压力变为前脚掌压力近似等于后脚掌压力；平地运动到上坡运动：支撑相膝关节转角约等于0°时，由前脚掌压力近似等于后脚掌压力变为前脚掌压力大于后脚掌压力；下坡运动到平地运动：支撑相膝关节转角约等于0°时，由前脚掌压力小于后脚掌压力变为前脚掌压力近似等于后脚掌压力；平地运动到下坡运动：支撑相膝关节转角约等于0°时，由前脚掌压力近似等于后脚掌压力变为前脚掌压力小于后脚掌压力；站立到上楼运动：膝关节转角由0°增大时，前脚掌压力大于0，后脚掌压力近似等于0；或者前脚掌压力远大于后脚掌压力；站立到下楼运动：膝关节转角由0°增大时，前脚掌压力近似等于0，后脚掌压力大于0；或者前脚掌压力远小于后脚掌压力；下楼运动到站立：支撑相膝关节转角约等于0°时，前脚掌压力和后脚掌压力差值的绝对值小于阈值；上楼运动到站立：支撑相膝关节转角约等于0°时，前脚掌压力和后脚掌压力差值的绝对值小于所述阈值。其中，所述处理器根据运动状态识别，控制液压缸阻尼大小，改变假肢动作，包括：处理器发送信号至电机，控制液压缸内弯曲阻尼阀的打开面积：平地行走时：以平地行走的阻尼阀面积为一个比较基准，支撑相时减小弯曲阻尼阀的流通面积以提供一个高弯曲阻尼，摆动相时增大弯曲阻尼阀面积以提供一个低弯曲阻尼；上楼时：支撑相时关小弯曲阻尼阀至接近闭合以提供一个大的弯曲阻尼，摆动相时增大弯曲阻尼阀的流通面积到比平地行走时阻尼阀面积大以提供一个比平地行走时小的弯曲阻尼；上坡时：支撑相时控制电机使弯曲阻尼阀打开至大于上楼时小于平地行走时的阻尼阀面积以提供一个比上楼时小比平地行走时大的弯曲阻尼，摆动相时减小弯曲阻尼阀至流通面积大于平地行走时而小于上楼时以提供一个比平地行走时小比上楼时大的弯曲阻尼；下楼时：支撑相时控制电机使弯曲阻尼阀关小至上楼与上坡时阻尼阀大小之间以提供比上楼时小比上坡时大的弯曲阻尼，在摆动相时控制电机使弯曲阻尼阀面积比平地行走时阻尼阀面积小以提供一个比平地行走时大的弯曲阻尼；下坡时：支撑相时控制电机使弯曲阻尼阀打开到比平地行走时小而比下楼时大以提供一个比下楼时小比平地行走时大的弯曲阻尼，摆动相时控制电机使弯曲阻尼阀面积比下楼时阻尼阀面积大比平地行走时阻尼阀面积小以提供一个比平地行走时大比下楼时小的弯曲阻尼。其中，所述角度传感器采用旋变式传感器。具体包括BL29-R角度传感器。其中，所述薄片式压电式压力传感器包括eTouch-ss压电薄膜传感器。本专利技术的技术方案中，克服了气压缸支撑相时力矩不足的缺点，提出了假肢使用者在不同运动状态下的控制方法，让其能够更加自然的进行运动。本专利技术根据压力传感器和角度传感器采集的数据，进行步态周期识别和运动状态识别，根据所处的运动状态与周期，处理器发送控制信号至电机，控制液压缸内阻尼阀打开面积来调节阻尼，实现自动控制假肢使假肢使用者以正常步态行走的效果。本专利技术实施例结构简单，重量轻，减轻了假肢穿戴者的运动负担。本专利技术实施例装配简单，减少了装配人员的工作。本专利技术实施例无需在穿戴前进行长时间的采集数据，假肢使用者可以直接穿戴该假肢进行康复训练。附图说明图1为本专利技术实施例的假肢简化模型示意图；图2为本专利技术实施例的运动状态识别转换示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本专利技术进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本专利技术的一个或多个方面有一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种假肢膝关节控制方法，其特征在于，处理器建立假肢简化模型，根据安装在假脚上的压力传感器，采集地面支反力数据，再根据安装在假腿膝关节的角度传感器，得到膝关节转角数据；根据所述支反力数据和所述膝关节转角数据，对照步态数据库中的数据，所述处理器进行步态周期识别和运动状态识别；所述处理器根据运动状态识别，控制液压缸阻尼大小，改变假肢动作。/n

【技术特征摘要】
1.一种假肢膝关节控制方法，其特征在于，处理器建立假肢简化模型，根据安装在假脚上的压力传感器，采集地面支反力数据，再根据安装在假腿膝关节的角度传感器，得到膝关节转角数据；根据所述支反力数据和所述膝关节转角数据，对照步态数据库中的数据，所述处理器进行步态周期识别和运动状态识别；所述处理器根据运动状态识别，控制液压缸阻尼大小，改变假肢动作。


2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，安装在假脚上的压力传感器包括：
安装在假脚前脚掌中心位置的第一压力传感器和安装在假脚后脚掌中心位置的第二压力传感器；
所述第一压力传感器和所述第二压力传感器均采用薄片式压电式压力传感器，将压力转为电压形式输出到所述处理器。


3.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述处理器进行步态周期识别，将步态周期分为支撑相和摆动相，再进行运动状态识别，包括：
水平站立：膝关节转角约等于0°；前脚掌压力近似等于后脚掌压力；
上坡站立：膝关节转角约等于0°；前脚掌压力大于后脚掌压力；
下坡站立：膝关节转角约等于0°；前脚掌压力小于后脚掌压力；
站立到上坡运动：若以假肢为支撑腿，则前脚掌压力增大为原来2倍；若以健康腿为支撑腿，则假肢膝关节转角由0°增大，假脚离地后前脚掌压力和后脚掌压力为0；
站立到下坡运动：若以假肢为支撑腿，则前脚掌压力增大为原来2倍；若以健康腿为支撑腿，则假肢膝关节转角由0°增大，假脚离地后前脚掌压力和后脚掌压力为0；
站立到平地运动：若以假肢为支撑腿，则前脚掌压力增大为原来2倍；若以健康腿为支撑腿，则假肢膝关节转角由0°增大，假脚离地后前脚掌压力和后脚掌压力为0；
上坡运动到平地运动：支撑相膝关节转角约等于0°时，由前脚掌压力大于后脚掌压力变为前脚掌压力近似等于后脚掌压力；
平地运动到上坡运动：支撑相膝关节转角约等于0°时，由前脚掌压力近似等于后脚掌压力变为前脚掌压力大于后脚掌压力；
下坡运动到平地运动：支撑相膝关节转角约等于0°时，由前脚掌压力小于后脚掌压力变为前脚掌压力近似等于后脚掌压力；
平地运动到下坡运动：支撑相膝关节转角约等于0°时，由前脚掌压力近似等于后脚掌压力变为前脚掌压力小于后脚掌压力；
站立到上楼运动：膝关节转...

【专利技术属性】
技术研发人员：张岩岭，玄利圣，李哲，
申请(专利权)人：哈工大机器人湖州国际创新研究院，
类型：发明
国别省市：浙江;33