[发明专利]踝关节假肢模型的建立方法、无模型控制方法和验证方法

说明书

本发明公开了一种踝关节假肢的动态线性化模型的建立方法、无模型控制方法和验证方法，其中，踝关节假肢的动态线性化模型的无模型控制方法包括，确定控制输入准则函数；根据控制输入准则函数和动态线性化模型，计算得到第一控制函数；根据动态线性化模型和目标控制表达函数，确定第二控制函数；根据第一控制函数和第二控制函数，确定控制踝关节假肢的无模型控制表达函数，根据无模型控制表达函数控制踝关节假肢模型。该方法回避了具体的机械结构设计，减少了对机械模型的依赖，避免了踝关节假肢模型建立的复杂性和模型不准确而影响控制的缺陷。

技术领域

本发明涉及假肢控制技术领域，具体涉及一种踝关节假肢模型的建立方法、无模型控制方法和验证方法。

背景技术

目前市场上应用于下肢残疾者的大多数踝关节假肢分为被动型和主动型。被动踝关节假肢结构简单、成本较低，主要利用假肢的机械结构和各类储能元件来实现行走，然而被动型假肢无法直接产生机械动力，而正常人在行走过程中，踝关节肌肉会在蹬离期提供直接的推动力，故下肢残疾者在穿戴此类踝关节假肢时需要消耗较多能量。主动踝关节假肢虽然可以通过生理肌电信号或者物理运动信息获取人体运动意图，进而对假肢执行器进行控制，然而，主动踝关节假肢主要涉及人体及假肢模型，而不会对假肢的控制方法进行验证，因此，无法确定建立的假肢模型是否满足下肢残疾者的日常生活需要，下肢残疾者穿戴此类踝关节假肢行走时是否舒适，即无法确定建立的假肢模型是否准确。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的无法确定建立的假肢模型是否准确的缺陷，从而提供一种踝关节假肢模型的建立方法、无模型控制方法和验证方法。

根据第一方面，本发明实施例提供了一种建立踝关节假肢的动态线性化模型的方法，包括：基于目标算法建立踝关节假肢模型，所述踝关节假肢模型为连续系统函数；以踝关节力矩作为输入，踝关节角度作为输出，对所述连续系统函数进行离散化处理，得到离散系统函数；引入伪梯度的时变参数向量将所述离散系统函数转换为踝关节假肢的动态线性化模型。

结合第一方面，在第一方面的第一实施方式中，所述动态线性化模型为紧格式动态线性化模型，所述紧格式动态线性化模型表达如下：

Δy(k+1)＝φ(k)Δu(k)

其中，φ(k)为伪梯度时变向量；u(k)为输入信号；y(k+1)为输出信号。

根据第二方面，本发明实施例提供了一种踝关节假肢的无模型控制方法，用于采用第一方面或第一方面第一实施方式中所述的方法建立的所述的踝关节假肢的动态线性化模型，包括：确定控制输入准则函数；根据所述控制输入准则函数和所述动态线性化模型，计算得到第一控制函数；根据所述动态线性化模型和目标控制表达函数，确定第二控制函数；根据所述第一控制函数和所述第二控制函数，确定控制踝关节假肢的无模型控制表达函数。

结合第二方面，在第二方面的第一实施方式中，所述根据所述控制输入准则函数和所述动态线性化模型，计算得到第一控制函数，包括：基于虚拟参考反馈方法，求解所述第一控制函数的控制参数变量；根据所述求解得到的所述控制参数变量，确定求解伪梯度时变向量的目标算法；根据所述动态线性化模型和所述目标算法，确定所述第一控制函数。

根据第三方面，本发明实施例提供了一种踝关节假肢控制的验证方法，用于第二方面或第二方面第一实施方式所述的踝关节假肢的控制方法，包括：基于SolidWorks软件构建人体各部件模型；基于Adams软件设置所述人体各部件模型的相关参数，对所述人体各部件模型添加约束副及驱动副；建立所述Adams软件与MATLAB软件的数据传输接口，将所述人体各部件模型的相关参数和对应所述人体各部件模型添加的所述约束副及驱动副，通过所述数据传输接口传输至所述MATLAB软件；搭建联合仿真实验平台，根据踝关节假肢的控制方法控制所述踝关节假肢模型进行人体步态行走，对所述人体步态行走进行仿真分析和验证。