智能液压假肢膝关节控制系统设计与实现

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　　摘 要：安装假肢是当前下肢截肢患者恢复行走能力的唯一手段。设计一种基于膝关节阻尼仿生机理的智能液压假肢膝关节，在此基础上提出假肢膝关节整体控制方案，包括步态相位识别、步速自适应、路况识别等，并采用分布式思想搭建假肢膝关节硬件系统，完成基于STM32F407单片机的主控单元硬件电路设计。实验结果表明，该控制系统可以使假肢膝关节近似实现期望的运行规律，为智能液压假肢膝关节控制系统的进一步完善奠定了理论基础。
　　关键词：智能膝关节;控制系统;单片机;阻尼仿生
　　DOI：10. 11907/rjdk. 201453 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
　　中图分类号：TP319 文献标识码：A 文章编号：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2010年中国残疾人联合会统计，我国肢体残疾患者约为2 472万人，其中下肢截肢者约有220万人[1]。随着工业事故和交通事故逐年增加，大腿截肢患者数量正以惊人的速度上升，极大地增加了家庭与社会负担[23]。
　　对躯干肢体不同程度的截除，对患者身体和心理都造成了严重影响，大部分截肢患者术后都具有一定程度的焦虑、抑郁、悲观、绝望等不良情绪[4]。限于目前医疗水平还不能达到再生肢体的程度，安装假肢成为下肢截肢患者恢复活动的唯一手段，因此国内外针对下肢假肢进行了长时间研究[5]。鉴于膝关节在正常行走过程中的重要性，假肢膝关节作为下肢假肢中的关键部位，其研发是目前满足下肢截肢者基本活动需求的一项迫切任务。
　　智能仿生膝关节假肢的智能感知与控制策略是国内外针对智能膝关节假肢的两个重点研究方向。智能感知是建立在智能膝关节假肢仿生结构之上的，只有对机械本体结构进行仿生设计，才能通过与人体生理膝关节相似的工作机理，获得众多运动学、力学、生理学等特征信息。在此基础上，采用合适的实时特征参数制定智能控制策略，用于膝关节假肢整体控制目标，使之达到生理步态。
　　智能膝关节假肢依据是否可以为人体提供主动力矩分为：被动型膝关节假肢、主被动混合型膝关节假肢、主动型膝关节假肢[6]。主被动混合型和主动型膝关节假肢的动力源包括电机、气动肌肉以及微型液压泵等，可提供主动力矩以驱动膝关节屈曲与伸展[7]。但由于提供主动力的驱动器自身重量尺寸远超过人体生理关节，主被动混合型和主动型膝关节假肢与人体生理膝关节工作机理截然不同，此外电源容量也满足不了主动型和主被动混合型假肢的续航时间要求，且具有较大的运行噪声以及难以小型化的技术瓶颈，因此目前国内外大多数学者仍主要针对智能被动型膝关节假肢展开研究[8]，如表1所示。 　　随着国家经济水平的提高，残疾人的支付能力也得到大幅提升，对改善生活质量的需求越来越迫切，因而大大促进了假肢智能化的发展。智能假肢通常指具有正常人膝关节运动特性的一类假肢，在患者变速控制以及步态对称性和跟随性等方面与正常人趋近，具有良好的仿生性能[21-22]。因此，在智能假肢膝关节控制过程中，要求在步态支撑期保证稳定性，在步态摆动期具备良好的灵活性，这也是目前下肢假肢设计中需要实现的功能目标。
　　1 实验样机结构与功能设置
　　本文设计的智能膝关节假肢液压阻尼缸工作原理如图1所示，液压阻尼系统有两个相互独立的旋塞阀1、2，分别调节膝关节假肢的屈曲和伸展阻尼，旋转直线电机调节旋塞阀阀门开度，可实现从低阻尼到高阻尼的连续控制。当膝关节假肢屈曲时，活塞7受到人体体重的作用向下运动，液压油从阻尼液压缸下腔流经旋塞阀1进入液压补偿缸B，并流经单向阀4a进入液压阻尼缸上腔，如图1中红色箭头流向，在该过程中助伸弹簧被压缩;当膝关节假肢伸展时，活塞7向上运动，液压油从液压阻尼缸上腔流经旋塞阀2，并从液压补偿缸B一起流经单向阀4b进入液压阻尼缸下腔，如图1（彩图扫描OSID码可见）中蓝色箭头流向，在该过程中被压缩的助伸弹簧释放储存的能量，起到辅助膝关节假肢伸展的作用。
　　智能液压膝关节假肢功能样机如图2所示，主体结构包括膝关节假肢部分、小腿管部分以及假脚部分。其中在膝关节假肢的上连杆内置惯性传感器，用于测量截肢侧大腿倾斜角度以及摆动加速度，同样在位于膝关节假肢外壳的控制面板上设置惯性传感器，用于测量膝关节假肢倾斜角度及摆动加速度;在膝关节转轴处设置角度传感器，用于直接测量膝关节运动角度;在小腿腿管处设置压力传感器，用于测量穿戴膝关节假肢行走时地面对其的反作用力。
　　2 控制系统总体设计
　　下肢假肢作为缺失肢体的代替物，除装饰作用外，更需要实现功能代偿，恢复身体支撑、行走等各种功能。假肢膝关节是整个下肢假肢系统中实现运动功能最关键的部位。高性能的智能假肢膝关节系统应能满足以下功能：①在静止或步态支撑期可保证稳定性，以保障患者安全;②摆动中期保证足够的离地间隙，避免脚尖与地面碰撞;③摆动期膝关节角度应尽可能与健侧接近，实现良好的步态对称性;④可适应不同步行速度的变化;⑤可适应不同的路况变化。
　　本文针对以上功能需求对假肢膝关节样机控制系统进行设计，假肢膝关节控制系统总体结构框架如图3所示。
　　其中，假肢膝关节整体控制框架如图4所示，其控制核心是对假肢膝关节在不同路况下支撑相与摆动相的控制。
　　整个控制系统由步态相位识别模块、路况识别模块、步速检测模块、电量检测模块，以及位置伺服系统等部分组成。步态相位识别模块是整个控制系统的控制基础，只有在特定步态时相下进行不同的阻尼控制才能使假肢膝关节摆动符合正常人下肢规律，从而匹配健侧行走;路况识别模块可通过識别不同路况，使假肢膝关节执行对应步态模式以满足在各个路况下行走的需求;步速检测模块用于检测当前行走的步速，为伺服位置控制系统提供电机运行的目标位置，是步速自适应功能实现的基础;电量检测模块主要用于检测假肢膝关节工作电压，防止电量不足导致假肢膝关节工作异常，并使假肢膝关节处于防弯曲状态，以降低摔倒几率;位置伺服系统可保证所研制假肢膝关节内部执行机构运行位置的精准性，即精确控制针阀开度位置。本研究主要通过监测各传感器信号，对截肢患者步态运动信息进行分析，判别假肢膝关节状态及步行速度，进而通过控制针阀开度位置调控假肢膝关节阻尼力矩，从而达到使人体与假肢膝关节协同工作的目的。本研究采用的控制方法可归纳为利用基于LM优化算法的BP神经网络实现路况离线识别，并应用迭代学习算法搭建步速知识库实现步速自适应，以及在不同路况下采用基于有限状态机的控制方法实现步态相位的阻尼控制。
　　3 系统硬件设计
　　本文设计的智能假肢膝关节系统需要实现的功能包括运行步态状态检测、人体步行速度检测与自适应控制、路况状态检测与分类、电机闭环控制等功能。为提高控制系统的稳定性以及运行的实时性，也为了能更方便地调试系统，本文采用分布式架构思想搭建硬件控制系统。由于ST公司可提供一系列用于开发的固件库函数，其生产的STM32系列处理器采用工业标准的嵌入式处理器，并在结构上使用哈佛结构，具有独立的数据和地址总线，使得数据存储与读取更加可靠，而且开发环境具有良好的可视化界面，故本文分别采用基于Cortext-M4内核的STM32F407单片机与基于Cortex-M3内核的STM32F103单片机构成主从单元控制器，进而实现上述整体功能。整个硬件系统分为两块电路板，并严格限制电路板面积，以尽量节省空间。因此，系统被安装在假肢膝关节样机外壳两边，且采用12V锂电池供电，器件选择及运行模式需考虑低功耗要求。此外，系统执行部件为两个直线步进电机，具有强干扰特性，因此需要提升系统的抗干扰能力。
　　根据系统整体功能要求，本文硬件系统可分为以下几个主要模块进行搭建：残肢端运动学检测模块、步态相位检测模块、膝关节角度检测模块、步速检测模块、两板之间通信模块、与上位机的通信模块、电机驱动模块以及指示提醒模块等。硬件系统总体结构如图5所示，该硬件系统是智能假肢膝关节控制系统功能实现的基础，也是基于智能算法等相关软件运行的载体。
　　4 系统软件设计
　　根据制定的假肢膝关节控制方案，主控单元功能主要为采集与处理传感器数据、与从机模块和上位机进行通信等。针对该主控制单元系统的软件设计分为主程序设计和中断服务程序设计两部分。主程序整体框架如图6所示。
　　5 假肢测试平台实验
　　人体步态最重要的一个特点就是左右两侧具有运动对称性，因此可利用步态对称性对步态运动控制及行走功能进行评定。针对步态对称性，可用许多指标进行描述，本文采用对称指标SI评估患者穿戴所研制假肢膝关节的行走步态对称性[23]。 　　SI計算公式如下：
　　其中，[XR]为健康腿步态周期时间，[XL]为残侧腿步态周期时间，步态理想对称时，SI逼近于0。当SI小于10%时，可评估为步态对称性良好。
　　运用假肢测试平台进行实验，在跑步机上设定不同档位，对健侧和假肢侧步态数据进行采集并作对比，采用绝对对称指标SI说明系统控制下的行走性能，进而说明该控制系统性能以及方案的可行性。实验测试过程如图7所示。
　　在跑步机上设定步速为2.0m/s，利用假肢测试平台采集与记录两侧膝关节角度数据如图8-图10所示。在2.0m/s的行走步速下，膝关节最大屈曲目标角度为68°，从图8中可以看出，假肢侧最大屈曲角度不断逼近健侧角度，步态的仿生性和对称性逐步提高。
　　在跑步机上设定步速为1.4m/s，利用假肢测试平台采集与记录两侧膝关节角度数据如图9所示。在1.4m/s的行走步速下，膝关节最大屈曲目标角度为62°。从图中可以看出，假肢侧最大屈曲角度不断逼近健侧角度，步态的仿生性和对称性逐步提高。
　　在跑步机上设定步速为0.8m/s，利用假肢测试平台采集与记录两侧膝关节角度数据如图10所示。在0.8m/s的行走步速下，膝关节最大屈曲目标角度为57°。从图中可以看出，假肢侧最大屈曲角度不断逼近健侧角度，步态的仿生性和对称性逐步提高。
　　由图可知，无论在哪一档步速下，膝关节最大屈曲角度都逐渐达到目标控制角度，逼近健侧的最大屈曲值。由此证明，控制系统的步态校正方案是可行的。控制信号可使假肢近似实现期望的运行规律，较好地验证了该控制系统性能的优越性。
　　6 结语
　　本文研制一款被动型的智能液压假肢膝关节样机，借鉴分层设计思想，并结合智能学习算法以及传感器技术、单片机技术、机电控制技术等，实现了一个智能液压假肢膝关节控制系统，可使下肢截肢患者以近似正常步态行走活动，大大扩展了患者日常活动范围。
　　对于人体下肢运动而言，膝关节可归纳为一个高度非线性、时变、强耦合的系统。智能假肢膝关节系统研制需要多学科交叉技术，如生物医学工程、信号系统分析、传感器技术等，是一个复杂的人机系统。本文设计的智能假肢膝关节控制系统虽然具有一定创新性，功能也达到预期效果，但后续仍有待进一步完善。
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　　（责任编辑：黄 健）
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