智能下肢假肢膝踝协调控制方法研究设计说明Word格式文档下载.docx
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1．1选题的目的和意义
假肢是为了恢复人体的形态和功能，补偿截肢造成的缺损而制作和装配的人工肢体。
为了提高残疾人特别是肢体残疾者的生活水平，假肢的研究显得尤为重要。
其中下肢截肢者丧失了最基本的行走能力，安装假肢是补偿其运动功能的最佳途径。
智能假肢的出现对于帮助残疾人回归到正常生活、学习和工作中，对于减轻社会负担无疑都具有重要的意义。
1．2智能假肢国内外发展状况
1.2.1国外发展状况
在很早的时候，各国都产生过木头制成的假肢。
但从真正意义上现代的假肢来说，国外假肢技术发展的较早。
早在19世纪60年代，欧洲人就发明了首个人工假肢。
到了20世纪初期，由于世界大战的爆发欧美国家都开始研究假肢，但是这时其发展主要是为了那些肢体伤残的军人。
战争结束以后，假肢行业得到了很大发展，西方发达国家纷纷成立了假肢研究所，掀起了假肢技术发展的小高潮。
这一时期的假肢均为纯机械式假肢，通过弹簧、液压缸、气压缸提供阻尼，根据残疾人的日常行走习惯再通过手动调节阻尼。
这种假肢步态不协调，路况适应能力差，不具有步速跟随功能。
随着各国的研究发展，到了九十年代左右，出现了智能假肢。
1986年来自日本的中川昭夫首先提出用微处理器来控制膝关节针阀，从而改变膝关节阻尼实现步速调整的构想，这种膝关节假肢被称为智能假肢。
1990年，世界上第一个智能下肢假肢由英国布莱切福特公司研制成功，它具有全新承重自锁的功能，可实现平滑开锁和大角度锁定，可实现支撑期锁定和向摆动期平稳过渡。
20世纪后，智能下肢假肢技术出现突破性进展，仿生智能假肢产品已经推向市场。
2006年德国OttoBock公司发明了世界上首例应用“人工智能”科学的仿生智能假肢C-Leg智能仿生腿，智能假肢技术达到了一个新的高度。
1.2.2国内发展状况
我国的假肢起步较晚，根据清华大学王人成教授《我国假肢技术的研究与进展》所述，1945年在张家口建立了新中国第一个假肢厂。
同国外类似，这个假肢厂主要是为了战时的伤残军人生产假肢。
20世纪50年代末，我国又在很多地方都修建了假肢厂，服务对象由面向革命伤残军人转为面向全社会的肢残人士。
1979年，民政部组织北京、上海、江苏、山东、四川、湖北6个假肢厂联合研制骨骼式大腿假肢，这时的研究仅仅由工厂完成，所以关键技术一直没能够突破，仅仅是仿制了当时德国的假肢技术。
到了20世纪90年代，清华大学等科研机构正式加入了假肢的研究与生产当中，这才揭开了国内现代化假肢的序幕。
如今，中国科学院、清华大学、上海交通大学、河北工业大学、哈尔滨工业大学等高校以及科研院所都加入了假肢技术的研究行列，并为我国智能假肢技术的发展做出了一定的贡献。
1.2.3发展形势总述
尽管智能假肢已经取得长足发展，但以往智能假肢大多只考虑膝关节的调节作用，几乎没有一款假肢能够实现膝关节和踝关节的协调运动，因此都存在步态不协调、假肢容易损坏和穿戴者能耗大的问题。
美国范德堡大学研制了历史上第一个智能膝踝协调假肢，该假肢属于主动式假肢，膝关节和踝关节上均装有动力装置，表面上集成的传感器阵列可以随时感知使用者的活动情况，并将信息传递给微处理器做出相应的动作。
与普通智能假肢相比而言，由于是膝关节和踝关节协调运动，保证了良好的步态跟随特性，使得残疾人的步态趋于自然。
1．3课题研究内容
本设计根据正常人与残疾人行走规律进行了膝踝协调控制器的硬件设计以及膝踝协调控制算法的研究。
具体研究内容包括：
1.熟悉MSP430单片机接口功能。
2.利用MSP430单片机进行膝踝协调控制器设计，分析正常人与残疾人行走规律进行膝踝协调控制算法研究。
3.选择合适的传感器判断残肢侧行走速度，对智能下肢假肢进行运动控制。
本设计在第一章做了对选题意义和智能假肢国内外发展现状的一个概括。
第2章主要完成了膝踝协调控制系统硬件电路的设计，包括复位电路、电源电路、步进电机及其驱动模块、霍尔电路模块以及串口通信模块。
第3章主要是进行了膝、踝关节针阀开度曲线的测定，主要是用MFC编写了上位机程序。
第4章主要进行了控制系统软件方面的设计，控制策略选用的是专家控制方法。
2膝踝协调控制器的硬件设计
2．1控制芯片MSP430简介
整个智能假肢膝踝协调控制系统仅仅由一块锂电池供电，因而主控制器的选型必须严格遵守低功耗的要求.要求主控制器芯片能提供丰富外设、足够多的接口，能同时满足数据采集、控制、通信等功能。
同时要求主控器具备比较强的运算能力，满足系统对大量数据实时处理的要求。
MSP430单片机具有以下优点：
1.超低功耗超低功耗是MSP430单片机的首要优势，其功耗相对于51单片机、PIC单片机来说要低很多。
如今高性能单片机层出不穷，但MSP430单片机超低功耗这个特性，仍旧是其它单片机不可比拟的。
MSP430的超低功耗有益于延长电池寿命，使设备工作时间增加，易于开发便携式应用产品，也使供电设备简单。
2.现代的结构体系MSP430单片机是基于RISC精简指令集，即哈佛结构的单片机。
不同于冯诺依曼体系，哈佛结构单片机程序空间与数据空间的寻址是统一的。
这使得程序能够流畅运行。
MSP430只包含了27条内核指令，大大提高了编程的效率。
3.自带模块丰富MSP430自带有高精度、快速度的A/D转换器，这对信号的采集和处理帮助很大。
还具有16位的定时器A和定时器B，位数越高，执行能力就越快。
它还自带1-2个USART接口，方便与外界通信。
此外，还带有一个看门狗定时器，程序中使用它可以有效地防止程序跑飞。
如此多的自带模块可以为系统设计提供很大的方便。
4.C语言的开发环境MSP430的开发工具为C语言。
C语言的开发环境大大降低了编程人员的门槛，使得编程者容易上手。
而且，C语言编写的指令可高效执行，通用性好，可以方便的移植到别的芯片上。
总之，MSP具有超低功耗、编程效率高、丰富的片上外围模块和模块接口、系统时钟稳定、方便高效的C语言开发方式等优点，非常适合用作智能假肢膝踝协调控制系统的控制器。
2．2硬件电路分析与设计
本次设计主要针对大腿截肢患者的智能膝关节与智能踝关节控制器进行设计，此控制器包含5个主要模块：
复位电路、电源模块、步进电机及其驱动模块、霍尔电路模块和串口通信模块。
其整体的电路结构图如图1所示。
图1整体电路结构图
下面对这五个模块分别进行分析与设计。
2.2.1复位电路设计
设计复位电路，原因在于单片机初始上电时状态并不确定，这种不确定状态很有可能产生一些问题，甚至有可能对穿戴假肢的人构成危险。
为了避免造成事故，本设计在上电初始时刻就直接让单片机处于一个确定的状态。
复位电路的电路图如图2所示，其中DVCC接单片机供电电压+3V。
复位电路原理就是当DVCC通电时，电容有个充电过程，故此连接MSP430单片机的RESET处电压有个从无到有的跳变，使得单片机完成了复位操作。
图2复位电路
2.2.2电源模块设计
系统采用单个锂电池供电，其优点固然是可减小系统的体积，但由于电机驱动模块需要5V电压供电，MSP430单片机需要3V电压供电，而锂电池提供的有效工作电压范围是3.5V-4.2V（实验显示，当锂电池电压降到3.5V时，电池电量只剩下5%，已经不能为系统提供稳定电压了），因此需要将锂电池的电压转换为各个模块所需要的电压。
系统选用TPS77001稳压芯片将锂电池电压降低为3V，采用该芯片的典型应用电路，如图3。
其输出电压
，其中Vr=1.224V，故此关键之处即为确定R10与R11之比。
此处让R10/R11约为1.43，输出电压正好为3V。
有的单片机需要3.3V电压供电，则按照公式计算得R10/R11约为1.70，取R10/R11=1.70即可。
图3TPS77001应用电路图
升压电路用LTC3426芯片将锂电池电压升压为5V，原理图也采用典型应用电路，如图4。
该电路输出电压与TPS77001类似，也有
，其中Vr=1.22V，
为了保证输出电压为5V，由公式计算得出R12/R13的值约为3.1。
图4LTC3426应用电路图
2.2.3步进电机及驱动分析与设计
首先，智能假肢系统靠调节针阀开度来调整步速，对针阀直线运动距离有极其高的要求。
其次，系统对步进电机的响应速度和电机的耐用性都有一定要求。
基于这些，本次设计采用了海顿直线电机公司生产的20000系列永磁式直线步进电机。
该电机控制精度高，步距角15°
，步长0.0254mm，响应速度较快，可以满足设计要求。
选用
芯片FAN8200D来设计电机驱动，其驱动电路图如图5所示。
图5步进电机驱动电路
系统共有两路驱动，以其中一个为例介绍。
由上图，FAN8200D的输入引脚IN1、IN2分别接MSP430单片机的P4.3、P4.5，输出引脚OUT1至OUT4引脚直接与步进电机相对应的引脚相连，CE1、CE2引脚则同时接在单片机的P4.4引脚上。
步进电机采取的工作方式可以看做是双四拍。
工作时，先使CE1、CE2保持高电平（以下高电平用1表示，低电平用0表示），使能FAN8200D，再使IN1、IN2电平输入依次为01、11、10、00，由FAN8200D的官方技术资料，可知四路输出依次为十六进制数09H、05H、06H、0AH，于是步进电机就以DA-AC-CB-BD的双四拍工作方式运动起来。
2.2.4霍尔电路设计与分析
假肢膝关节开始运动，当活塞接近霍尔传感器安装位置时，如图6霍尔元件输出特性所示，霍尔传感器由于感应到活塞磁体的磁场而由高电平跳变为低电平，检测到突变信号就可以获知活塞当前位置。
活塞当前运动位置与不同步态呈对应关系，也就是说，检测到活塞当前运动位置就可以识别步态，因此通过霍尔传感器采集的信号即可识别步态。
图6霍尔元件输出特性
系统共采用了三个霍尔元件，霍尔检测电路如图7。
其检测原理为：
利用三极管的特性，三极管集电极采用3V供电，霍尔元件在无磁场时输出3.7V，故此导通，HALL输出为高电平1；
有磁场时霍尔元件输出为0，三极管截止，HALL输出为低电平0。
进一步通过三个霍尔输出的不同排列来区分不同的时刻即不同步态。
三个霍尔元件的位置已经由实验测得数据分析得出，分别为原点处、14.7mm处和21mm处。
图7霍尔电路原理图
2.2.5串口通信模块设计
系统通过MFC上位机程序来测量膝踝协调针阀开度值。
由于电脑使用RS232标准，而MSP430单片机的I/O口是TTL电平，二者使用的标准不一致，故此连接时必须加上电平转换电路。
也就是说正确的连接顺序为MSP430单片机-SPSP3232EEN-RS232-PC机。
本设计采用数字芯片SP3232EEN来进行电平之间的转换，因其电源电压范围为3.0V--5.5V，非常适合本系统使用。
其电路原理图如图8。
引脚的连接介绍如下：
SP3232EEN的TXD、RXD引脚直接与MSP430单片机具有串口通信功能的引脚P3.4、P3.5相连，TIOUT、RIN引脚则与九针串口的2、3管脚相连。
图8串口通信电路图
2．3小结
本章对膝踝协调控制系统硬件进行了详细的介绍。
由于系统是以锂电池供电，容量有限，故此设计以省电为首要任务。
控制芯片MSP430的低功耗的优点因此得到显现，同时这一优点还有助于简化电路，减小硬件电路的体积等。
3膝、踝关节针阀开度曲线的测定
测试针阀开度曲线的意义在于：
通过测定一个周期内不同步速下膝、踝关节针阀开度，此处指的是步进电机运行步数，从而建立完整的专家控制库，从而实现对智能假肢系统的实时控制。
3．1测试方案设计
智能假肢控制系统上，三个霍尔元件位置固定，磁铁（代表活塞位置）从第一个霍尔元件出发到达第三个霍尔元件，再从第三个霍尔元件返回到达第一个霍尔元件，以此代表假肢运动了一个步态周期，如图9所示。
图9测试示意图
将一个周期的距离均分为等距离小段，记录下每一端点处膝、踝针阀开度值。
再用C++中的MFC编写上位机程序，将膝、踝关节针阀开度实时返回到电脑上，从而得到关键点处的步进电机有效运动步数，以建立起快、中、慢不同步速下，不同步态的专家控制信息库。
3．2MFC测试程序设计
3.2.1MFC简介
MFC可以看做是微软公司提供给大众用来编写应用程序的具有引导性的框架。
MFC是微软公司的基础类库，它包含了许多微软公司用来开发Windows程序的类。
微软公司之所以提供MFC类库，主要是因为程序从本质上来讲无非是文件操作、数据库操作以及人机之间交互界面的设计。
VC++中集成了几个主要的开发工具，包括AppWizard应用程序向导、ClassWizard类向导和ResourceEditor资源编辑器。
之所以用MFC编写来编写应用程序，就是因为它集成了以上开发工具，使得程序的开发简化成了大部分的模块的调用加上小部分的代码编写，使得出错率以及变成难度都大大降低了。
MFC的优点有以下几点：
1.通过RUNTIME_CLASS机制，构造了一个通过接口来创建对象的机制。
这个机制在面向接口的编程中是必须的。
2.MFC采用消息映射机制，这个机制总体上来说，还是不错的，算作一个优点。
3.MFC建立了一套控件绑定机制，使得程序员所要编写的内容大为减少，这种傻瓜式的机制为程序员提供了方便，也大大提高了程序的正确性和可靠性。
基于以上的优点，MFC在Windows应用程序开发中得到广泛应用。
3.2.2MFC测试程序设计
运用C++的MFC编写上位机测试程序，其基本过程如下：
1.新建一个MFC的可执行程序，输入文件标题，确立该工程的基本属性问题。
2.创建将要生成的程序需要的类名、基类名和文件名。
3.设置对话框属性，选择你需要的各种控件并排列，使界面整洁美观。
4.编辑对话框类。
首先完成函数类以及成员变量的命名及初始化，其次需要建立消息映射机制并在函数中添加相应的代码。
这样处理以后，串口调试程序就做好了，下一步进行编译运行就可以了。
编好的程序调试界面如图10所示。
部分程序参见附录。
图10MFC测试程序
在上图界面中，首先打开串口，以启用串口通信功能。
然后选择测试对象，可选膝关节还是踝关节。
然后选中显示当前值，在对话框中就会显示出快、中、慢三种情况下的针阀开度。
“发送”按钮是将设定的数据发送到控制器中，并带有保存功能，即把调整好的数据写入到MSP430单片机的flash存储区中，与此同时，发送的数据会在对话框中显示出来，说明发送成功。
实物连接图如图11所示，整个设备由控制器、miniUSB连接线、调试器、USB转串口线组成，将每一部分连接起来，并将USB转串口线的USB端与PC的USB端连接，就可以进行测试测试了。
图11设备实物连接图
3.2.3测试结果曲线
根据实验测得的数据，用Matlab画图功能分别得到膝、踝在一个步态周期内的针阀开度曲线如图12和图13所示。
图12膝关节针阀开度曲线
图13踝关节针阀开度曲线
Matlab程序（膝关节的）如下：
x=[0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1.0，1.1，1.2，1.3，1.4，1.5，1.6，1.7，1.8，1.9，2.0];
y=[1.35，1.32，1.22，1.20，1.10，1.04，0.97，0.95，0.81，0.72，0.68，0.62，0.58，0.44，0.4，0.25];
plot（x,y）;
holdon;
gridon;
plot（x,y,'
b*'
）;
xlabel（'
步态周期（s）'
ylabel（'
膝关节针阀直线移动距离（mm）'
axis（[0.5201.5]）;
3.3小结
本章完成了测试膝、踝协调针阀开度的上位机程序的设计与编写。
主要工作有两部分，一是MFC的学习，二是做实验，测数据。
这部分工作的完成，对膝踝协调控制策略的选定有重要的指导意义。
4膝踝协调控制算法设计
4．1控制策略的选择
专家控制方法，就是将一些常识性知识、理论性知识以及规则库集成在一起构成知识库，然后由推理机根据当前情况匹配相应知识，由推理归规则产生策略，再执行
相应策略来实现控制的一种方法。
在正常人的歩态周期中，一般可以简单划分为支撑期和摆动期两个阶段。
支撑期是指下肢有和地面接触的整个时期，是指同一只脚的脚跟触地到脚趾离地的阶段，约占整个步行周期的60%。
摆动期是指下肢在空中摆动的时期，就是下肢不接触地面的时期，是指同侧脚趾离地到脚跟着地的阶段，约占整个步行周期的40%，如图14所示。
图14人体步态周期
根据对人体步态周期的分析，该膝踝协调控制系统采用了专家控制方法。
具体方法是：
从整个步态周期区选取四个关键点--摆动期、膝关节伸展时刻、脚跟着地时刻、踝关节足平时刻来实施控制。
由于不同时期三个霍尔传感器输出不同，控制器采取动作不同，但同一时期采取的动作却是相同的。
这很符合基于专家控制的方法，将每个时期判定条件与对应反应动作制作成专家信息库，随时监测随时调用，大大提高了控制效率。
其具体控制策略框图见图15。
图15控制策略框图
步态与霍尔元件输出对应关系为：
三个霍尔元件输出排列为111，说明踝关节进入脚跟着地时刻；
若输出为101，则为踝关节足平时刻；
输出为110，则膝关节进入摆动期；
输出为011，进入膝关节伸展时刻。
对应关系表见表1。
表1步态与霍尔输出对应关系
步态输出霍尔
HALL1
HALL2
HALL3
脚跟着地时刻
1
踝关节足平时刻
摆动期
膝关节伸展时刻
4．2控制系统软件设计
此系统程序设计包括两大部分内容，即主程序设计和中断服务程序设计。
4.2.1主程序设计
一般来讲，主程序的设计都较为简单，本设计也是如此。
可以用一句话概括，那就是：
在启动初期完成各种初始化工作。
完成这些任务后，就进入省电模式，直到接收到中断信号，这也是MSP430比其它单片机功率消耗要小很多的原因之一。
主程序流程图见图16。
图16主程序流程图
4.2.2中断程序设计
1.上电复位程序设计
为什么要做上电复位程序，原因与复位电路的设计相同。
如果一上电，电机螺杆位置不在正确的地方，那假肢有可能处于不承受力的状态。
穿戴假肢的人就有可能摔倒，从而受到伤害。
上电复位程序用看门狗定时器来完成。
简述其原理就是：
电机螺杆有共四个位置。
由霍尔元件输出判断电机螺杆位置。
判定电机为不同位置，都进入看门狗程序，只是从相应电机位置的控制程序开始执行并顺次执行下去。
直到最后使电机回到原点位置并锁死为止。
具体可参见下面流程图的内容，其流程图如图17所示。
图17上电复位中断程序
2.定时器A中断服务程序设计
这一中断程序可以说是整个软件系统的核心。
这个中断程序必须保证有足够高的执行频率，因此设置定时中断频率为500Hz。
该程序原理是：
先实时采集霍尔传感器信号，再根据三个霍尔元件输出的不同组合来识别步态，同时用算法计算出步态周期，便可以到步进电机的控制参数，然后调用专家控制库中的控制规则来完成对膝、踝关节针阀开度的调节。
这样，就实现了系统对假肢步速的实时调节。
该程序流程图如图18所示。
图18定时器A中断程序示意图
3.定时器B中断服务程序设计
之所以要用定时器B来完成电机控制，原因就在于步进电机控制所使用的定时器不允许被其他程序嵌套，同时该程序又必须能进入其它中断程序。
换言之，该中断程序使用的定时器必须是MSP430中优先级最高的。
而MSP430中，定时器B满足这个条件。
故此用定时器B中断程序来完成步进电机的控制，同时需要用定时器A来完成前期的步态识别以及控制电机运动方向等问题。
中断服务程序流程图见图19。
图19定时器B中断服务程序
4．3小结
本章内容完成了膝踝协调控制方法的软件设计，实现了对膝、踝关节的协调控制。
致此，基本上完成了课题内容的要求。
结论
智能假肢的研究对于肢体残疾人员恢复正常行走能力有着很重要的作用。
膝、踝关节协调的假肢比起单一的智能膝关节和智能踝关节，能够使穿戴者的行走步态更接近于正常人，而且穿戴者不易感觉到疲劳。
课题在设计
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