一种假肢阻抗控制系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电学技术领域，尤其涉及一种假肢控制系统。
【背景技术】
[0002]由于踝足部对人体站立、步行等基本生活运动具有不可或缺的作用，对踝足假肢的开发与研究一直是康复工程学科中的热点课题。传统的踝足假肢大多采用纯被动或半被动的控制形式，在步态支撑相中仅依靠结构的被动弹性或有限的阻尼调节，通过近乎机械的关节锁死和释放，辅助穿戴者实现步行与站立动作。传统被动/半被动踝足假肢具有结构简单、自重轻、高能效的特点，但无法为穿戴者提供步行时所需的向上与向前的作用力，也不能实现生物关节所具有的变阻抗行为。临床研究表明，上述缺点会造成穿戴者假肢与健肢间的运动非对称，导致其在相同步速下要比正常人多消耗大约10-60%的能量。这严重影响了穿戴者的步行舒适度，降低了步行速度与行动范围。
【发明内容】
[0003]本发明就是针对上述问题，提供一种能够使穿戴者步行更为舒适、自然，并能适应不同的步速与路况的一种假肢阻抗控制系统。
[0004]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明包括PID模糊控制器、足部角度传感器、单片机、A/D转换器、保护装置、交换机、速度传感器、降压型开关电源和比较器，其特征在于:足部角度传感器通过A/D转换器连接PID模糊控制器，单片机通过交换机连接PID模糊控制器，PID模糊控制器还与保护装置、速度传感器、降压型开关电源和比较器相连。
[0005]作为另一种优选方案，所述的单片机为AT89S52单片机。
[0006]本发明有益效果。
[0007]本发明根据在平地行走中的步态规律，主要包括踝关节扭矩、转角范围及其关节阻抗变化规律。平地行走中单个步态周期通常由脚跟着地开始至同侧脚跟的第二次着地。根据足部的接触约束变化，步态可以分为摆动相与支撑相两部分。采用模糊PID控制策略对主动式踝足假肢的位置伺服控制其踝足假肢模型能够复现预设的踝关节阻抗变化曲线，并具有低功耗的特点。
【附图说明】
[0008]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。
[0009]图1是本发明原理框图。
【具体实施方式】
[0010]如图所示，本发明包括PID模糊控制器、足部角度传感器、单片机、A/D转换器、保护装置、交换机、速度传感器、降压型开关电源和比较器，其特征在于:足部角度传感器通过A/D转换器连接PID模糊控制器，单片机通过交换机连接PID模糊控制器，PID模糊控制器还与保护装置、速度传感器、降压型开关电源和比较器相连。
[0011]作为另一种优选方案，所述的单片机为AT89S52单片机。
[0012]为了明确关节运动与阻抗控制的目标，首先需要了解人体踝足关节的生物力学特性，尤其是其在平地行走中的步态规律，主要包括踝关节扭矩、转角范围及其关节阻抗变化规律。平地行走中单个步态周期通常由脚跟着地开始至同侧脚跟的第二次着地。根据足部的接触约束变化，步态可以分为摆动相与支撑相两部分。其中，处于支撑相中的支撑腿为人体步行提65供稳定、有效的支撑，支撑相控制是踝足假肢驱动控制主要研究点。尽管踝关节转矩、转角曲线高度复杂，但是在两者所构成的相平面中可以获得关节特性阻抗曲线。该曲线的斜率代表了生物关节在运动中的关节阻抗大小，而曲线包围的面积代表了踝足关节力矩输出的机械能。在一个步态周期中人体踝关节呈现出周期性变化的类被动行为，并以特定角度划分为关节阻抗显著不同的两段。据此可以将平地步行中踝关节的运动行为，简化为非线性被动弹性元件和一段持续扭矩的线性组合。
[0013]现有关节驱动器微特电机等难以达到人体踝足部所具有的功率密度，而选用大功率电机则通常尺寸大、质量重，难以满足动力假肢的结构尺寸与重量要求。此外，以电机等常规驱动器直接驱动的假肢关节具有较大的机械阻抗与惯性，无法承受假肢脚跟触地时的冲击。驱动器固有的高阻抗特性亦严重制约了关节阻抗算法的实际效果，无法满足假肢关节阻抗调节的功能需要。因此，需要对传统踝足假肢关节驱动形式进行改进，充分考虑驱动器自身局限性对假肢系统运动控制的影响。
[0014]主被动混合驱动方法为动力踝足假肢的结构与控制算法研究提供了新的空间。采用该驱动方法的假肢关节，以力控制性能优异的串联弹性驱动器控制假肢关节的运动并主动调节关节的输出阻抗。并用参数合适的被动元件在支撑相中对关节阻抗进行被动调节，降低串联弹性驱动器的驱动负载、减少驱动器瞬时功率需求、降低驱动器的功率等级，从而提高假肢关节的力控制响应频宽、提高假肢系统的整体能效、降低驱动系统的体积与重量。
[0015]主被动混合驱动的动力踝足假肢结构。由同步带轮和滚珠丝杠构成的传动机构在直流电机的驱动下，推动假肢脚跟部的串联弹簧板对足部施加驱动扭矩，从而构成一个旋转的串联弹性驱动器(SEA)。而在假肢踝关节的前侧安装一块与串联弹性驱动器并联的线性弹簧。该并联弹簧在支撑相分担串联执行器的驱动负载，提高假肢关节的能效。并且在假肢背屈时提升假肢关节的输出阻抗，被动地改变关节阻抗控制。为了不影响在步态其他阶段中的运动控制，该并联板簧只在足部背屈时才起效。
【主权项】
1.一种假肢阻抗控制系统，包括PID模糊控制器、足部角度传感器、单片机、A/D转换器、保护装置、交换机、速度传感器、降压型开关电源和比较器，其特征在于:足部角度传感器通过A/D转换器连接PID模糊控制器，单片机通过交换机连接PID模糊控制器，PID模糊控制器还与保护装置、速度传感器、降压型开关电源和比较器相连。2.根据权利要求1所述一种假肢阻抗控制系统，其特征在于:所述的单片机为AT89S52单片机。
【专利摘要】一种假肢阻抗控制系统属于电学技术领域，尤其涉及一种假肢控制系统。本发明提供一种能够使穿戴者步行更为舒适、自然，并能适应不同的步速与路况的一种假肢阻抗控制系统。本发明包括PID模糊控制器、足部角度传感器、单片机、A/D转换器、保护装置、交换机、速度传感器、降压型开关电源和比较器，其特征在于：足部角度传感器通过A/D转换器连接PID模糊控制器，单片机通过交换机连接PID模糊控制器，PID模糊控制器还与保护装置、速度传感器、降压型开关电源和比较器相连。
【IPC分类】A61F2/70
【公开号】CN105616041
【申请号】CN201410622921
【发明人】赵俭
【申请人】赵俭
【公开日】2016年6月1日
【申请日】2014年11月8日