假肢膝关节运动的控制方法

摘要

本发明假肢膝关节运动的控制方法，涉及假肢膝关节，步骤是：安装假肢膝关节的控制部件，包括四连杆膝上假肢膝关节本体和传感器部分，在气缸活塞运动至由支撑相到摆动相的分界位置安装一个霍尔传感器，在气缸活塞运动至假肢膝关节锁死位置安装另一个霍尔传感器；通过微控制器检测假肢穿带者的步态周期进而判断步行速度，通过霍尔传感器判定步态时相，通过微控制器控制气腔针阀开度，调整气缸缸体内产生的阻尼从而实现步速调整；最后让假肢穿带者正常行走，在摆动相，气腔针阀按照该步行速度下对应开度值运动，进入支撑期后，气腔针阀保持完全关闭，使阻尼达到最大值，然后将假肢膝关节锁死；克服了现有技术没有多轴假肢膝关节运动控制方法的缺点。

主权项

假肢膝关节运动的控制方法，其特征在于步骤如下： 第一步，安装假肢膝关节的控制部件 所用假肢膝关节的控制部件包括四连杆膝上假肢膝关节本体和传感器部分，其中四连杆膝上假肢膝关节本体由四连杆机构、气缸缸体、气缸活塞、内嵌于气缸活塞中的磁体、气腔针阀、步进电机和微控制器构成，传感器部分包括两个霍尔传感器、脚底压力传感器和角度传感器，四连杆膝上假肢膝关节本体安装于假肢穿带者的肢体上，通过假肢穿带者携带的便携式信号采集盒采集假肢穿带者的步行速度和在不同步速下脚尖离地时刻的假肢膝关节弯曲角度即由支撑相向摆动相过渡时刻的角度的信息，并采用二次函数对采集的步行速度与脚尖离地时刻的假肢膝关节弯曲角度信息进行曲线拟合，得到步行速度与脚尖离地时刻假肢膝关节弯曲角度之间关系的计算公式：y=‑5.51x2+13.13x+37.88，该式中y为假肢膝关节弯曲角度，x为步行速度，然后根据假肢膝关节弯曲角度和气缸活塞位置的曲线关系计算出气缸活塞位置，气缸活塞位置与假肢膝关节弯曲角度关系的计算公式为y=‑0.22x2+5.78x+0.36，该式中y是气缸活塞位置，x是假肢膝关节弯曲角度，由此计算出在不同步行速度下脚尖离地时刻的假肢膝关节弯曲角度对应的气缸活塞的具体位置，即假肢穿带者在当前步行速度下脚尖离地时刻的气缸活塞位置，并以此位置作为假肢穿带者在该步行速度下由支撑相到摆动相控制的分界位置，也就是说此时气缸活塞运动至由支撑相到摆动相的分界位置，将此位置设为0mm，在此位置的气缸缸体外壁安装一个霍尔传感器，当假肢穿带者在同一步行速度下，假肢膝关节完全伸展时即假肢穿带者呈站立状态时的气缸活塞的位置作为假肢膝关节锁死位置，相对于上述0mm位置此位置设为21mm，在此位置的气缸缸体外壁安装另一个霍尔传感器，脚底压力传感器安置在假肢穿带者的前脚掌处，角度传感器安置在假肢膝关节转动轴处； 第二步，假肢膝关节运动的控制方法的设计 （2.1）通过微控制器检测假肢穿带者的步态周期进而判断步行速度 用内嵌于假肢膝关节外壁上的微控制器连续检测假肢穿带者的步态周期，并与微控制器中已存储的各段步速的周期临界值进行比较，从而判断步速的大小； （2.2）通过霍尔传感器判定步态时相 通过安置在上述的0mm位置和21mm位置的气缸缸体外壁上的霍尔传感器分别判定人体步态的支撑相即从脚跟着地到脚尖离地的阶段和摆动相即从脚尖离地到脚跟着 地的阶段； （2.3）通过微控制器控制气腔针阀开度，调整气缸缸体内产生的阻尼从而实现步速调整 微控制器控制假肢膝关节的步进电机改变气腔针阀的开度，开度即推动气腔针阀运动的步进电机的运行步数，当测得假肢的步态周期大于周期临界值时，说明步速在减慢，取当前步态周期所对应的气腔针阀开度值作为步进电机的调整值，实现步速的下调，当测得假肢的步态周期小于周期临界值时，说明步速在加快，取当前步态周期所对应的气腔针阀开度值作为步进电机的调整值，实现步速的上升；气缸缸体内的阻尼是随着气腔针阀开度的变化而变化的，当气腔针阀开度减小时，气缸缸体内产生的阻尼增大；当气腔针阀开度增大时，气缸缸体内产生的阻尼减小；在支撑相时，阻尼调整至最大，在摆动相时，将气腔针阀开度调整至微控制器中已储存的相应步行速度下的值，这样在不同步行速度下气缸缸体内的阻尼也不同，假肢摆动速度也不同，达到步行速度调整的目的；通过调整气腔针阀开度找出假肢穿带者在不同步行速度下的最合适的气腔针阀开度值，建立步行速度与气腔针阀开度之间的对应的经验知识库；第三步，假肢膝关节运动的控制方法的实施 在完成上述两步后，让假肢穿带者正常行走，在行走过程中，根据设计好的控制程序流程，首先检测步态时相，当气缸活塞运动至由支撑相到摆动相的分界位置即安装在0mm处的霍尔传感器的位置时，内嵌于气缸活塞中的磁体引起该霍尔传感器输出信号发生改变，即认为到达摆动相，气腔针阀按照该步行速度下对应的开度值运动；当气缸活塞运动至假肢膝关节锁死位置即安装在21mm处的霍尔传感器位置时，即认为假肢膝关节完全伸展进入支撑相，气腔针阀保持完全关闭，使阻尼达到最大值，然后将假肢膝关节锁死，提高支撑相稳定性。