[发明专利]建立下肢假肢自动训练专家知识库的方法

摘要

本发明建立下肢假肢自动训练专家知识库的方法，涉及假肢膝关节的控制，所用硬件包括假肢膝关节、接受腔、足底压力传感器、控制装置和控制电路，其中控制装置由气缸、活塞、气体通道、针阀和直线步进电机构成；由控制电路中的单片机采集和运算来自足底压力传感器的足底压力信号，采用迭代学习算法建立用于假肢膝关节控制的专家知识库。本发明方法使用便携式采集系统，运算由单片机自动完成，准确高效，采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，在截肢者穿带假肢后无须专业人员辅助，系统即可自动生成不同步行速度下使得对称性最好的价值膝关节控制量，即建立用于假肢膝关节控制的专家知识库。

主权项

建立下肢假肢自动训练专家知识库的方法，其特征在于具体步骤如下：A.所用硬件及其安装所用硬件包括假肢膝关节、接受腔、足底压力传感器、控制装置和控制电路；所述假肢膝关节是能够通过非人工方式调整弯曲和伸展阻尼的气压下肢假肢膝关节，被安装在大腿截肢者所穿带的上述接受腔下部；所述控制装置由气缸、活塞、气体通道、针阀和直线步进电机构成，活塞安装在气缸中，并将气缸分成两个腔室，两个腔室通过气体通道相连通，气体通道位于气缸外部，直线步进电机安装在气缸下部，针阀安装在直线步进电机进给螺杆的顶端，控制装置中的气缸被固定在小腿假肢后方；所述控制电路中含有单片机，控制电路被安装固定在下肢假肢上；足底压力传感器分别安装在健肢足底和假肢足底，并通过导线与控制电路连接；足底压力传感器、控制电路和直线步进电机之间用导线连接；B.受试者测试在建立上述A步骤之后，让受试者正常行走，在行走过程中，首先检测步行速度，然后确定当前步行速度下膝关节离地角度值，当膝关节角度达到膝关节离地角度时，即认为到达摆动期，上述控制装置中的针阀按照该步行速度下对应的开度值运动，当膝关节完全伸展后即认为进入支撑期，该针阀保持完全关闭，使阻尼达到最大值，提高支撑期稳定性；C.足底压力信号的采集上述控制电路中单片机的模拟数字量转换模块，也就是单片机上自带的AD转换器，通过滑动平均滤波的处理方法，以每秒500次的频率采集安装在上述受试者的假肢侧和健肢侧足底的足底压力传感器的电压信号，即足底压力信号；D.足底压力信号的运算足底压力信号的运算由上述控制电路中所含单片机来完成，其运算程序按照功能可以分为三个部分：第一部分是主程序，该部分程序完成系统上电之后的初始化工作系统上电→关闭看门狗→时钟配制→晶体振荡器是否起振 否→返回晶体振荡器是否起振 ，是→外围模块初始化→变量定义和初始化→打开看门狗中断→进入低功耗模式；第二部分是AD转换中断服务程序，该部分程序完成AD采样和滑动平均滤波算法进入AD中断→打开中断，允许其他中断嵌套→将AD转换结果送buffer1数组→进行滑动平均滤波处理→将滤波结果作为当前电压值→中断返回；第三部分是定时器中断服务程序，该部分程序完成步态周期判断、迭代学习算法和知识库数据存储的功能进入定时器中断→打开中断，允许其他中断嵌套→读取足底压力信号→是否为假肢侧步态周期的开始：否→读取后臂下轴角度信号，是→计算假肢侧和健肢侧步态周期之差→差值是否小于阈值：是→将针阀位置作为当前步速下最合适的值存入专家知识库中，否→采用迭代学习算法得出针阀目标位置→读取后臂下轴角度信号→计算当前膝关节角度值→判断是否为假肢离地角度：否→退出中断，是→针阀开始向目标位置移动→退出中断。E.建立下肢假肢自动训练专家知识库采用迭代学习算法建立用于假肢膝关节控制的专家知识库，具体方法是：选用健肢/假肢的步态周期的偏差作为步态对称性的评价标准，系统输出值为下肢假肢步态周期，期望值为健肢步态周期，以两者的偏差来修正控制输入，即气缸针阀开度，产生新的控制信号，使用P型学习率的方法如下：uk+1(t)＝uk(t)+Lek(t)上式中，uk+1：第k+1个周期计算得到的针阀开度；uk：第k个周期得到的针阀开度；ek：左右脚步态周期差值；L：比例系数，当误差初步收敛到一定程度时||ek(t)||＜|ea|其中不等式左侧表示在第k个步态周期中，假肢与健肢间的步态周期误差，右侧为根据仿真和患者测试实验结果设定的阈值，此时系统误差趋向稳定收敛，当误差收敛到一个已经满足控制要求精度范围之内以后，算法停止继续迭代学习，将相关的学习结果，即该步行速度下的针阀开度，保存在智能假肢的知识库中，由此建立下肢假肢自动训练专家知识库。