[发明专利]主动型膝上假肢膝关节的预测控制方法

摘要

本发明主动型膝上假肢膝关节的预测控制方法，涉及膝关节的控制，步骤是：离线采集所需实验者的基本信息数据，生成数据报告；建立下肢假肢膝关节运动的分段仿射系统模型；根据控制性能指标对系统的状态区域进行凸划分，得到控制律；控制策略的在线控制过程。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。

主权项

主动型膝上假肢膝关节的预测控制方法，其特征在于步骤如下：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：$\mathrm{vel}.\left(k\right)=\frac{\mathrm{\θ}(k+1)-\mathrm{\θ}\left(k\right)}{\mathrm{\Δt}}---\left(1\right)$公式(1)中：vel代表膝关节角速度变量，θ代表膝关节角度，k为采样时刻，Δt为采样周期，即两次采样时刻间的差值，在该阶段，将膝关节角速度vel曲线与膝关节力矩tor曲线与之对应的数据段进行分析，将两段曲线分成对应的4～50的段数，以分段点为特征点进行连线，即完成了对两条曲线的近似线性化处理，两条曲线的分段点是一致的，因此两条曲线的分段个数是一致的，横坐标为时间轴，按照两点式求线性函数方法，得到两段对应的线性函数表达式为：vel(k)＝a₁t+b₁   (2)tor(k)＝a₂t+b₂   (3)公式(2)和(3)中：vel代表膝关节角速度变量，tor代表膝关节力矩变量，k为采样时刻，a₁,a₂,b₁,b₂为函数表达式的系数，t为坐标横轴，代表时间变量，将膝关节角速度公式(1)代人公式(2)和(3)中，消去参数t，得到膝关节角度变量θ和膝关节力矩变量tor的关系：θ(k+1)＝θ(k)+b*tor(k)+f,θ∈Ω   (4)公式(4)中：θ代表膝关节角度变量，tor代表膝关节力矩变量，b、f为数学模型系数。Ω是当前膝关节角度的区间，也是该子系统的边界条件，该线性的表达式所代表的系统就称为仿射系统，将膝关节角速度变量vel曲线与膝关节力矩变量tor曲线按照该方法处理完毕，得到下肢假肢膝关节运动的分段仿射模型；第三步，根据控制性能指标对系统的状态区域进行凸划分，得到控制律：对于预测控制，需要求解预测控制性能指标：$J={\left|\right|\mathrm{PX}\left(N\right)\left|\right|}_2+\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}({\left|\right|\mathrm{Qx}\left(k\right)\left|\right|}_2+{\left|\right|\mathrm{Ru}\left(k\right)\left|\right|}_2)---\left(5\right)$公式(5)中：P、Q和R分别为系统的终端状态权值矩阵、状态权值矩阵和输入权值矩阵，通过经验来确定具体数值，N为预测时域，u代表系统控制信号，实际控制中u为膝关节力矩变量tor，x代表系统的状态向量，x＝[θ,u,ref]'，x_N为预测时域内的最终时刻的状态，k为采样时刻，根据多参数规划理论，完成对系统的状态空间的凸划分，并计算得到对应每一状态空间区域的控制律，表示为：u_i＝f_ix+g_i,x∈CR_i,i＝1,...,n   (6)公式(6)中：u即为膝关节力矩变量tor，x为系统的状态向量，f，g为控制律系数矩阵，n为凸规划后分区总数，i为当前系统的状态所处分区，将系统的状态空间划分完毕，得到n个公式(6)表示的控制律，即完成了状态分区与离线控制律的求解；第四步，控制策略的在线控制过程：在正常步态的情况下，健肢先行，假肢跟踪健肢来完成行走过程，因此将采集到健肢侧膝关节运动轨迹作为参考轨迹ref，前一时刻的控制信号u即膝关节力矩变量tor和当前的假肢膝关节角度变量θ同时作为系统的状态，来进行控制信号的计算，主动型假肢开始运动时，系统的状态向量x＝[θ,u,ref]'与上述第三步得到的状态分区进行匹配，判断当前x正处于哪个区间，同时得到当前区间对应的控制律，将系统的状态向量x代入公式(6)，则直接运算得到当前系统需要的控制信号u，即实现了控制策略的在线控制过程。