[发明专利]假肢膝关节运动的控制方法

说明书

技术领域

本发明的技术方案涉及假肢膝关节，具体地说是假肢膝关节运动的控制方法。

背景技术

对于下肢截肢者而言，安装具有代偿运动功能的假肢是恢复行动能力的重要手段。目前市场上现有的假肢膝关节产品的控制方法大多是通过调整假肢膝关节的阻力，即在假肢膝关节屈曲和伸展的方向上阻碍关节运动的力，来调整假肢膝关节的运动。调整假肢膝关节阻力的方法可以分为手动调节和自动调节两种方式。手动调节方式为通过手动方式改变膝上假肢膝关节的阻力，阻力调整之后，在一定状态下阻力保持近似恒定，步速单一，跟随性差，适应性较差；自动调节方式为通过机械结构或者电子装置等非人力手段来改变假肢膝关节的阻力，采用电子装置检测步态特征，根据一定的控制方法来自动调整假肢膝关节的阻力，可以随着步行状态的变化实时调整假肢膝关节阻尼来达到改进步态跟随性和对称性的作用，适应性较好。

多轴机构假肢膝关节指的是采用多个连杆相连接的方式来实现假肢膝关节的弯曲伸展功能，相对于传统的单轴假肢膝关节具有诸多的优势：a.假肢膝关节的瞬心并非固定，而是可以随假肢膝关节弯曲角的变化而变化，能有效地模拟正常人膝关节的运动；b.在摆动相能有效地缩短假肢的长度，避免与地面障碍物碰撞；c.能有效地提高支撑相的稳定性。但是现有技术中没有涉及针对多轴假肢膝关节运动的专门控制方法，也没有将信息源临界值的选取与步行速度相联系。CN 92112993.9公开了“在膝上假肢中控制人造膝关节动作的系统”，CN 200780016492.1公开了“具有可调阻尼的被动膝关节的控制”。这些现有技术都是基于对角度传感器的控制，没有涉及具体的多轴假肢膝关节运动的专门控制方法，也没有针对多轴假肢膝关节的角度信息获取的方法，并且将角度传感器应用于多轴关节又产生了转轴角度与假肢膝关节弯曲角度对应的双值问题，使问题变得复杂化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供假肢膝关节运动的控制方法，是一种基于霍尔传感器的在不同步速情况下具有可调阻尼的四连杆膝上假肢膝关节运动的控制方法，将信息源临界值的选取与步行速度相联系，克服了现有技术中没有多轴假肢膝关节运动的专门控制方法，也没有将信息源临界值的选取与步行速度相联系的缺点。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：假肢膝关节运动的控制方法，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按照公知的方法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