[发明专利]主动型膝上假肢膝关节的预测控制方法

说明书

技术领域

本发明的技术方案涉及膝关节的控制，具体地说是主动型膝上假肢膝关节的预测控制方法。

背景技术

主动型膝上假肢作为一类能够为膝关节以上截肢者提供膝关节助力和良好地完成对健肢的跟踪的产品，其控制性能好坏既影响截肢者的舒适体验，也决定着产品的安全性能。

CN1088988C公开了一种膝上型假肢，能够通过微处理器进行常见步态控制，通过直接给入控制信号进行膝关节角度的调整；CN 201110456535.6公开了假肢膝关节运动的控制方法，提出的是一种简单的通过霍尔传感器判定步态、步速后直接给出设定好的控制信号来控制假肢的行走；CN 201010589305.2和CN 103750927A均着重介绍了下肢假肢自动训练专家知识库的方法，提出了使用迭代学习的方法来寻找使得假肢和健肢侧步态周期相差最小的不同步态下使得对称性最好的假肢膝关节控制量来进行假肢的控制；目前最常见的主动型假肢控制方法为基于有限状态机的专家控制，该方法对不同的运动情况建立不同的控制信号曲线，控制假肢时通过判断当前运动状态，直接选择已经设定好的控制信号。上述所有的现有假肢膝关节运动的控制方法实现的是“识别步态——给出设定控制信号”的控制过程，这种依靠“设定好的控制信号”来进行控制是开环的，没有反馈机制的系统，缺乏自动修正和补偿能力。而一般的闭环控制算法，涉及到在线建模和训练问题，时效性低，对处理器的计算性能要求高，都是依靠牺牲控制器的运行效率来获取比较好的控制信号，实时性较差并且不利于主动型假肢产品的续航。

鉴于现有假肢膝关节运动的控制技术中存在的上述缺陷，现今对于假肢膝关节运动的控制，出于能耗性的要求，需要研发一种在线工作量小、控制精度足够高并且能够实现控制量与系统状态时刻进行信息交换的控制算法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供主动型膝上假肢膝关节的预测控制方法，该方法对人体下肢假肢进行分段仿射系统建模和建立显式的模型预测控制器，能够用该控制器完成假肢的闭环控制，使控制器与外界环境进行实时的信息交换，提高控制精度，保证产品的安全性，并且将建模工作与优化问题求解规划过程放在离线过程进行，在线控制时只需要进行查表和简单的计算即可，能够降低处理器能耗，有利于提高产品续航能力。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：主动型膝上假肢膝关节的预测控制方法，步骤如下：

第一步，离线采集所需实验者的基本信息数据，生成数据报告：

采用包括6个高速MX红外拍摄头、MX组件、PC主机和MX外围套件的Vicon MX三维步态分析系统，在膝关节、大腿、小腿、踝关节、脚趾和足跟六个下肢部位左右侧各贴6个红外反光点，根据以上位置粘贴的红外反光点，将实验者的身高、体重、腿长、骻宽度、膝关节宽度和踝关节宽度这些基本信息，输入到上述Vicon MX三维步态分析系统中，先初始化建立静态模型，采集上述基本信息后，补齐遗漏的标记点并在软件中仿真出行走视频，生成完整的步态信息，最后加载动态模型，用Polygon软件导出数据，由此获取受试者在不同路况条件下的用于离线分析与建模的膝关节角度信号和膝关节力矩信号，并生成数据报告，上述MX组件包括MX Net，MX Link和MX Control；

第二步，建立下肢假肢膝关节运动的分段仿射系统模型：

人体正常行走时，按站立弯曲、站立伸展、摆动弯曲和摆动伸展四个阶段顺序进行，对上述每个阶段的膝关节运动曲线和力矩曲线建立带仿射常数的线性模型，即为分段仿射系统模型，切换点为膝关节曲线的各个极值点，离线建立下肢假肢膝关节运动的分段仿射系统模型的过程如下：

通过第一步实验采集到的膝关节角度数据经过一步微分计算，得到膝关节摆动的角速度,即膝关节角速度公式：