智能液壓假肢膝關節控制系統設計與實現

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。設計一種基于膝關節阻尼仿生機理的智能液壓假肢膝關節，在此基礎上提出假肢膝關節整體控制方案，包括步態相位識別、步速自適應、路況識別等，并采用分布式思想搭建假肢膝關節硬件系統，完成基于STM32F407單片機的主控單元硬件電路設計。實驗結果表明，該控制系統可以使假肢膝關節近似實現期望的運行規律，為智能液壓假肢膝關節控制系統的進一步完善奠定了理論基礎。

關鍵詞：智能膝關節;控制系統;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2010年中國殘疾人聯合會統計，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]。隨著工業事故和交通事故逐年增加，大腿截肢患者數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，因此國內外針對下肢假肢進行了長時間研究[5]。鑒于膝關節在正常行走過程中的重要性，假肢膝關節作為下肢假肢中的關鍵部位，其研發是目前滿足下肢截肢者基本活動需求的一項迫切任務。

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

智能膝關節假肢依據是否可以為人體提供主動力矩分為：被動型膝關節假肢、主被動混合型膝關節假肢、主動型膝關節假肢[6]。主被動混合型和主動型膝關節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動膝關節屈曲與伸展[7]。但由于提供主動力的驅動器自身重量尺寸遠超過人體生理關節，主被動混合型和主動型膝關節假肢與人體生理膝關節工作機理截然不同，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瓶頸，因此目前國內外大多數學者仍主要針對智能被動型膝關節假肢展開研究[8]，如表1所示。

隨著國家經濟水平的提高，殘疾人的支付能力也得到大幅提升，對改善生活質量的需求越來越迫切，因而大大促進了假肢智能化的發展。智能假肢通常指具有正常人膝關節運動特性的一類假肢，在患者變速控制以及步態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，在智能假肢膝關節控制過程中，要求在步態支撐期保證穩定性，在步態擺動期具備良好的靈活性，這也是目前下肢假肢設計中需要實現的功能目標。

1 實驗樣機結構與功能設置

本文設計的智能膝關節假肢液壓阻尼缸工作原理如圖1所示，液壓阻尼系統有兩個相互獨立的旋塞閥1、2，分別調節膝關節假肢的屈曲和伸展阻尼，旋轉直線電機調節旋塞閥閥門開度，可實現從低阻尼到高阻尼的連續控制。當膝關節假肢屈曲時，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旋塞閥1進入液壓補償缸B，并流經單向閥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;當膝關節假肢伸展時，活塞7向上運動，液壓油從液壓阻尼缸上腔流經旋塞閥2，并從液壓補償缸B一起流經單向閥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，起到輔助膝關節假肢伸展的作用。

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

2 控制系統總體設計

下肢假肢作為缺失肢體的代替物，除裝飾作用外，更需要實現功能代償，恢復身體支撐、行走等各種功能。假肢膝關節是整個下肢假肢系統中實現運動功能最關鍵的部位。高性能的智能假肢膝關節系統應能滿足以下功能：①在靜止或步態支撐期可保證穩定性，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擺動期膝關節角度應盡可能與健側接近，實現良好的步態對稱性;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節樣機控制系統進行設計，假肢膝關節控制系統總體結構框架如圖3所示。

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

整個控制系統由步態相位識別模塊、路況識別模塊、步速檢測模塊、電量檢測模塊，以及位置伺服系統等部分組成。步態相位識別模塊是整個控制系統的控制基礎，只有在特定步態時相下進行不同的阻尼控制才能使假肢膝關節擺動符合正常人下肢規律，從而匹配健側行走;路況識別模塊可通過識別不同路況，使假肢膝關節執行對應步態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提供電機運行的目標位置，是步速自適應功能實現的基礎;電量檢測模塊主要用于檢測假肢膝關節工作電壓，防止電量不足導致假肢膝關節工作異常，并使假肢膝關節處于防彎曲狀態，以降低摔倒幾率;位置伺服系統可保證所研制假肢膝關節內部執行機構運行位置的精準性，即精確控制針閥開度位置。本研究主要通過監測各傳感器信號，對截肢患者步態運動信息進行分析，判別假肢膝關節狀態及步行速度，進而通過控制針閥開度位置調控假肢膝關節阻尼力矩，從而達到使人體與假肢膝關節協同工作的目的。本研究采用的控制方法可歸納為利用基于LM優化算法的BP神經網絡實現路況離線識別，并應用迭代學習算法搭建步速知識庫實現步速自適應，以及在不同路況下采用基于有限狀態機的控制方法實現步態相位的阻尼控制。

3 系統硬件設計

本文設計的智能假肢膝關節系統需要實現的功能包括運行步態狀態檢測、人體步行速度檢測與自適應控制、路況狀態檢測與分類、電機閉環控制等功能。為提高控制系統的穩定性以及運行的實時性，也為了能更方便地調試系統，本文采用分布式架構思想搭建硬件控制系統。由于ST公司可提供一系列用于開發的固件庫函數，其生產的STM32系列處理器采用工業標準的嵌入式處理器，并在結構上使用哈佛結構，具有獨立的數據和地址總線，使得數據存儲與讀取更加可靠，而且開發環境具有良好的可視化界面，故本文分別采用基于Cortext-M4內核的STM32F407單片機與基于Cortex-M3內核的STM32F103單片機構成主從單元控制器，進而實現上述整體功能。整個硬件系統分為兩塊電路板，并嚴格限制電路板面積，以盡量節省空間。因此，系統被安裝在假肢膝關節樣機外殼兩邊，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，系統執行部件為兩個直線步進電機，具有強干擾特性，因此需要提升系統的抗干擾能力。

根據系統整體功能要求，本文硬件系統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、步態相位檢測模塊、膝關節角度檢測模塊、步速檢測模塊、兩板之間通信模塊、與上位機的通信模塊、電機驅動模塊以及指示提醒模塊等。硬件系統總體結構如圖5所示，該硬件系統是智能假肢膝關節控制系統功能實現的基礎，也是基于智能算法等相關軟件運行的載體。

4 系統軟件設計

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

5 假肢測試平臺實驗

人體步態最重要的一個特點就是左右兩側具有運動對稱性，因此可利用步態對稱性對步態運動控制及行走功能進行評定。針對步態對稱性，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節的行走步態對稱性[23]。

SI計算公式如下：

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

運用假肢測試平臺進行實驗，在跑步機上設定不同檔位，對健側和假肢側步態數據進行采集并作對比，采用絕對對稱指標SI說明系統控制下的行走性能，進而說明該控制系統性能以及方案的可行性。實驗測試過程如圖7所示。

在跑步機上設定步速為2.0m/s，利用假肢測試平臺采集與記錄兩側膝關節角度數據如圖8-圖10所示。在2.0m/s的行走步速下，膝關節最大屈曲目標角度為68°，從圖8中可以看出，假肢側最大屈曲角度不斷逼近健側角度，步態的仿生性和對稱性逐步提高。

在跑步機上設定步速為1.4m/s，利用假肢測試平臺采集與記錄兩側膝關節角度數據如圖9所示。在1.4m/s的行走步速下，膝關節最大屈曲目標角度為62°。從圖中可以看出，假肢側最大屈曲角度不斷逼近健側角度，步態的仿生性和對稱性逐步提高。

在跑步機上設定步速為0.8m/s，利用假肢測試平臺采集與記錄兩側膝關節角度數據如圖10所示。在0.8m/s的行走步速下，膝關節最大屈曲目標角度為57°。從圖中可以看出，假肢側最大屈曲角度不斷逼近健側角度，步態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，膝關節最大屈曲角度都逐漸達到目標控制角度，逼近健側的最大屈曲值。由此證明，控制系統的步態校正方案是可行的。控制信號可使假肢近似實現期望的運行規律，較好地驗證了該控制系統性能的優越性。

6 結語

本文研制一款被動型的智能液壓假肢膝關節樣機，借鑒分層設計思想，并結合智能學習算法以及傳感器技術、單片機技術、機電控制技術等，實現了一個智能液壓假肢膝關節控制系統，可使下肢截肢患者以近似正常步態行走活動，大大擴展了患者日常活動范圍。

對于人體下肢運動而言，膝關節可歸納為一個高度非線性、時變、強耦合的系統。智能假肢膝關節系統研制需要多學科交叉技術，如生物醫學工程、信號系統分析、傳感器技術等，是一個復雜的人機系統。本文設計的智能假肢膝關節控制系統雖然具有一定創新性，功能也達到預期效果，但后續仍有待進一步完善。

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（責任編輯：黃 健）