假肢膝关节设计

机械创新设计
安徽工程大学
机械与汽车工程学院
机制093 班
指导老师:王静平
2012/11/23
假肢智能膝关节设计
摘要：介绍了基于假肢关节跟随健肢运动控制系统的设计；为了使只能膝关节可以更好的服务与人；根据假肢关键结构工作结构、工作原理，设计了假肢膝关节的步态随动控制系统；采用了模糊PID控制算法以闭环的形式对系统进行控制；模糊PID控制算法的实验结果很优良，为假肢步态逼真程度的提高，提供了技术保障。

关键词：假肢膝关节；随动系统；阻尼力矩；步态逼真；模糊PID控制法；PMA 1.设计背景
随着科学技术的进步，下肢假肢取代了拐杖，这不仅在外观和功能上弥补了肢体缺陷带来的不足，而且使截肢者双手能够自由地参与正常的工作和生活，扩大了截肢者参与社会活动的深度和广度。

假肢关节是大腿假肢的核心部件，它在行走过程中不仅祈祷支撑体重的作用，而且其性能对假肢步态逼真程度起着决定性的作用。

假肢侧和健肢侧的对称性是衡量假肢关节性能的重要指标。

目前，市场上的假肢膝关节的屈伸都是由残肢带动的，只能通过调节假肢关节的阻尼力矩，使得假肢侧步态接近健肢侧步态。

普通假肢膝关节在安装过程中，一般根据截肢者的体重、行走习惯等情况调定阻尼力矩。

阻尼力矩是根据截肢者的正常步速设定的，当步速变快或者变慢时，步态对称性变差。

20世纪90年代以前，假肢运动不能跟随截肢者的步速变化，同时缺乏稳定性。

随着假肢技术的不断发展，出现了许多智能型假肢膝关节，做到了动态调整、实时控制步态。

如Otto Bock公司（德国）的奥托博克的C-LEG仿生腿、日本Nabco的只能假腿NI-C111、Ossur 公司（冰岛）的Power Knee和国内中南大学的CIP-ILeg等。

国内智能假肢研究由于起步较晚，基础薄弱，仍处于起步阶段，落后发达国家20年左右。

为了研究出具有国际领先水平的智能假腿，有必要对实现步频跟随和智能控制调整进行研究。

几种市场常见的智能膝关节案例图:
图1 Otto Bock公司的液压智能膝关节的控制阀及其工作原理
图2 清华大学的摩擦锥智能膝关节的阻尼器原理示意图
图3麻省理工学院的磁流变智能膝关节的关节结构及其阻尼器原理图
2．设计目标
设计一种能适应截肢者行走速度变化的假肢智能膝关节，截肢者无论是以正常速度，还是以快速或慢速行走，假肢侧步态轨迹都接近健肢侧步态轨迹，从而解决普通假肢膝关节步速变化时对称性较差的问题。

3.假肢关节结构及工作原理
假肢关节的设计基于仿生学原理并融入人工简化的思想，通过逆向工程的计算方法，最终得到了比较精确的人体膝关节实体模型，设计出易于加工的假肢膝关节。

其中主动力以及阻力通过仿生驱动器—气动人工肌肉（PMA）来实现的，为实现步态的非线性提供了基础。

假肢膝关节模型如图4所示。

图4 假肢膝关节模型
仿生驱动器采用气动人工肌肉（PMA）。

PMA是一种体积小巧、柔软、重量轻、工作简单、容易控制的仿生学产品，它由压缩空气驱动做推拉动作，其过程就像人体的肌肉运动，具有很高的功率自重比和功率体积比。

它的柔软性使得它电气马达和液压缸能进行人机交互，并且它的动作也有很好的柔韧性。

当PMA充入压缩空气以后，橡胶内管便在空气压力作用下发生膨胀形变，并与外套编织网紧紧地贴在一起，纤维网格的夹角随之变大，PMA 在长度方向收缩形变，从而带动外部负载。

4.假肢膝关节随动控制系统的设计
整个系统包括步态数据采集和膝关节位置控制系统两大部分。

步态数据的目的是为位置控制系统提供给定值，此值也就是气动人工肌肉应当处的位置，位置控制系统的作用就是令比例压力阀快速驱动人工肌肉带动膝关节到达给定值。

4.1随动系统步态数据采集设计
步态数据采集系统的任务是完成对人体步态信息的测量。

通过对膝关节结构分析可知，启动人工肌肉位置的变化应当跟随步态的变化，从而要求控制器对比例压力阀施加的信号做相应的变化。

为了确定电信号给定值，必须首先知道截肢者当前的步态信息，步态数据信息采集的准确性将直接影响到仿生腿的性能。

步态数据，主要是实时测量膝关节角度变化的信息，采用高精度、高速的角度传感器进行测量。

而要仿生腿跟随人体健康腿协调运动，还需要一个步态相位识别过程，可以采用脚踏开关的方案，该开关用于检测出人体所处的时相状态，当仿生腿处于弯曲状态，即摆动相，
且角度信号达到一定的值时，脚踏开关打开，输出低电平信号；而当仿生腿处于直立状态，即支撑期，且角度信号达到阀值时，脚踏开关闭合，输出高电平。

这样控制器就可以实现步态相位的识别。

4.2.膝关节位置控制设计
在系统中，步态运动时间较短，气动人工肌肉运动行程也较短，因此系统对控制精度要求极为严格，选择闭环控制方案比较合适。

使用比例压力阀接受物理控制信号，驱动气动人工肌肉，并通过安装在假腿上的传感器监测位置变化，控制系统根据位置反馈信号实现假肢跟随健肢运动。

采用模糊PID控制，其具有鲁棒性强，非线性，不依赖对象的数学模型等优点，以误差e和误差变化率e c作为输入，根据模糊控制规则对PID控制参数K P、K i、K d进行在线整定，以满足不同误差和误差变化率对控制器参数的性能要求，使被测对象具有较好的静、动性能，满足控制器系统要求，实现随动步态平稳、自然。

位置式PID控制算法如下所示：
其中K p、K i、K d即为模糊控制器的输出，积分算法和微分算法分别采用常用的积分分离和四点中心差分法进行处理。

膝关节的位置信号被反馈到控制器，让这个反馈信号与给定位置信号相比较，如果当前膝关节所在位置需要调整，那么控制器将会按照事先设计好的控制规律来计算控制量，然后将得到的控制量加到受控对象上，直到输出达到系统规定的性能指标为止。

下图为PMA模糊位置控制系统结构框图（如图图5所示）
图5 PMA模糊PID位置控制系统结构框图
4.3.假肢膝关节步态跟随控制系统总体结构设计
对系统分析、传感器和执行元件的选择以及控制方案的制定，可以画出步态控制系统的结构简图图6。

图6 步态随动控制系统总体结构设计
健肢角度传感器用来测量人体健肢膝关节的运动角度，这些信号构成的步态数据被传送给上位机PC，控制器根据一定规则对数据进行计算和分析，得到控制信号，驱动气动人工肌肉运动的同时，系统采集假肢膝关节的位置反馈量，在控制器中，位置的给定值与反馈至进行比较，按照事先设计好的控制规律调整控制量，利用得到的新控制量来控制启动人工肌肉的运动，保证了膝关节严格按照位置给定量要求进行运动，以达到对假肢膝关节跟随腱侧腿运动的目的。

5.假肢关节随动系统软硬件实现
5.1.系统硬件设计
上位机PC通过USB接受、发送模拟信号，采集卡包含两通道模拟输出，正好给两个比例压力阀提供压力信号，从而控制一对气动人工肌肉充排气，带动假肢膝关节运动。

角位移传感器测的膝关节角度信号，通过采集卡模拟输入端，实时发送给上位机，作为反馈信号，与目标信号做比较，上位机通过模糊PID算法，对控制信号在线调整。

比例压力阀、USB 的高速、高精度等特点，应用于假肢膝关节随动控制系统，能够快速响应系统信号，驱动气动人工肌肉充排气，而且输出压力从0起无极调速，实现气动人工肌肉带动膝关节平稳、连续运动，继而实现穿戴假肢者的步态自然、协调，没有电磁影响。

体积小、重量轻、便携等特点，提高了智能仿生假肢舒适度和方便性。

5.2.系统软件设计
下位机单片机上电后，程序首先初始化，进入步态采集等待状态，当脚踏板开关传来步态周期开始信号时，单片机开始接受健肢关节处的角度传感器传入的模拟信号，进行AD 转换，然后通过无线射频传输到上位机，PC与单片机握手后，对接受到的数据进行一定的
处理，得到控制信号，通过数据采集卡，将模拟信号输入到比例压力阀，驱动气动人工肌肉充排气，带动假肢膝关节运动，与此同时，安装在假肢膝关节上的角度传感器将反馈信号传输到PC机上，通过模糊PID算法处理，调整控制信号，实现步态跟随的目的。

系统流程图如图7
图7 系统流程图
6.结论
在前面介绍的的模糊PID算法、软硬件系统环境的基础上，首先进行了单位信号和正弦信号的跟踪实验，实验各个控制器参数能够随偏差信号的变化而变化，适应能力强，效果好，显示模糊PID控制算法的效果明显，为步态跟随的实现提供了保障。

以人体标准步态数据作为控制信号，仿真膝关节跟随实验结果如图8
图8 人体标准步态与跟随实验数据曲线实验结果表明由于步幅大、速度快等原因，使得摆动相中期出现了少许的延迟，但整个系统的跟随性性能还是令人满意，已经基本满足了步态跟随系统的目标。

7.参考文献
[1]高志，黄纯颖.机械创新设计[M].2版.北京：高等教育出版社，2010.
[2]孔祥东，王益群.控制工程基础[M.].2版.北京：机械工业出版社，2008.
[3]项立群,汪晓云.概率论与数理统计[M].北京：北京大学出版社，2011.
[4]百度文库. /。