專利名稱：一種基于動力膝下假肢的步態(tài)識別方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及智能仿生機(jī)械技術(shù)、傳感器技術(shù)以及自動控制領(lǐng)域，特別是關(guān)于一種 基于動力膝下假肢的步態(tài)識別方法。
背景技術(shù)：
隨著各種自然災(zāi)難、疾病及交通事故的增加，殘疾人士的數(shù)量逐年增多，據(jù)統(tǒng)計， 目前我國下肢殘疾的人已接近900萬。隨著殘疾人的增多，假肢的需求也日益增大。市場 上現(xiàn)有的膝下假肢多采用剛性材料，雖然堅固耐用，但存在諸多缺點(diǎn)。穿著者穿著假肢行走 時，假肢與地面發(fā)生非彈性碰撞，一方面會對穿著者的殘肢造成傷害，另一方面會造成較多 的能量損失，降低穿著者行走時的能量效率。此外，現(xiàn)有的膝下假肢都是被動假肢，無法像 人的肢體一樣主動做功提供能量，因此大大增加了穿著者的能量消耗，進(jìn)一步降低了能量 效率。為了提高穿著者的舒適性以及運(yùn)動時的能量效率，含有柔性的動力膝下假肢正在成 為研究熱點(diǎn)。踝關(guān)節(jié)和腳趾關(guān)節(jié)是膝下假肢的主要動力機(jī)構(gòu)。按照人行走過程中腳與地面是 否接觸，可以把一個步行周期分為著地期和擺動期。根據(jù)踝關(guān)節(jié)和腳趾關(guān)節(jié)運(yùn)動學(xué)和動力 學(xué)特性的不同，可以進(jìn)一步將著地期分為踝關(guān)節(jié)被動跖屈、踝關(guān)節(jié)被動背屈、踝關(guān)節(jié)主動跖 屈、腳趾關(guān)節(jié)被動背屈和腳趾關(guān)節(jié)主動跖屈五個階段。不同階段，踝關(guān)節(jié)和腳趾關(guān)節(jié)的運(yùn)動 狀態(tài)和動力學(xué)特性不同，應(yīng)用的控制策略也不相同。含有柔性的動力膝下假肢的作用在于， 在被動階段利用柔性儲存能量，在主動階段一方面釋放儲存的能量，另一方面利用其動力 特性主動做功提供能量。因此，準(zhǔn)確地識別出各個步態(tài)，是對假肢進(jìn)行控制的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)膝下假肢是完全被動的，不需要主動控制，因此也不涉及步態(tài)識別。動力膝 下假肢的研究剛剛起步，其步態(tài)識別的方法也相對簡單，僅僅利用腳底開關(guān)和關(guān)節(jié)處的角 度傳感器等進(jìn)行識別，識別精度不高，抗干擾能力也較低，而且僅針對含有踝關(guān)節(jié)的膝下假 肢，針對同時含有動力踝關(guān)節(jié)和動力腳趾關(guān)節(jié)的步態(tài)識別方法尚未提出。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種基于含有踝關(guān)節(jié)和腳趾關(guān)節(jié)的動力膝下 假肢的步態(tài)識別方法，通過多種傳感器采集反應(yīng)假肢運(yùn)動狀態(tài)的多個物理量，綜合對假肢 步態(tài)進(jìn)行識別。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種基于動力膝下假肢的步態(tài)識別 方法，其包括以下步驟1)首先在動力膝下假肢上安裝以下傳感器角度傳感器，分別安裝 于動力膝下假肢的踝關(guān)節(jié)和腳趾關(guān)節(jié)處，用來測量踝關(guān)節(jié)和腳趾關(guān)節(jié)的角度以及估計踝關(guān) 節(jié)和腳趾關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)速；壓力傳感器，分別安裝于動力膝下假肢的后腳掌和前腳掌底部，用來 測量腳對地面的壓力；接觸式開關(guān)，分別安裝于動力膝下假肢的腳跟和腳尖下部，用來檢測 腳跟和腳尖與地面的接觸情況；線性分度計，安裝于與動力膝下假肢的踝關(guān)節(jié)驅(qū)動器相串 連的彈簧上，用來測量彈簧的線性位移；2)當(dāng)H= 1，同時？11> [)11且^^<0時，踝關(guān)節(jié)進(jìn)
3入被動跖屈階段；其中H表示位于腳跟下部的接觸式開關(guān)的狀態(tài)，且H = 1表示接觸式開 關(guān)閉合，H = O表示接觸式開關(guān)斷開；FH表示腳跟處壓力傳感器的測量值；Fph表示預(yù)先定義 的腳跟壓力閾值，具體數(shù)值根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得到；^^表示踝關(guān)節(jié)速度，通過對位于踝關(guān)節(jié)處 角度傳感器測量的踝關(guān)節(jié)角度θ mkle求導(dǎo)得到；3)當(dāng)T = 1時，被動跖屈階段結(jié)束，踝關(guān)節(jié) 進(jìn)入被動背屈階段，此時踝關(guān)節(jié)向前轉(zhuǎn)動，直到踝關(guān)節(jié)達(dá)到前向最大角度或H = 0時為止； 其中T表示位于腳尖下部的接觸式開關(guān)的狀態(tài)，且T = 1表示接觸式開關(guān)閉合，T = 0表示 接觸式開關(guān)斷開；4)當(dāng)H = 0，Tmkle> τρρ且么.<0時，踝關(guān)節(jié)進(jìn)入主動跖屈階段；其中 Tankle表示踝關(guān)節(jié)處的力矩，由彈簧的彈力乘以力臂得到；τ ρρ代表預(yù)先定義的力矩閾值，具 體數(shù)值根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得到；5)與此同時，當(dāng)θ _ < 0時，腳趾關(guān)節(jié)進(jìn)入到被動背屈階段；其 中θ toe表示位于腳趾關(guān)節(jié)2處角度傳感器測量的腳趾關(guān)節(jié)角度；6)當(dāng)Ft > Fpt時，腳趾關(guān) 節(jié)進(jìn)入到主動跖屈階段，這時腳趾關(guān)節(jié)開始向下轉(zhuǎn)動；其中Ft表示腳尖處壓力傳感器的測 量值；Fpt表示預(yù)先定義的腳尖壓力閾值，具體數(shù)值根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得到；7)當(dāng)踝關(guān)節(jié)和腳趾 關(guān)節(jié)達(dá)到指定角度或者T = 0時，主動跖屈階段結(jié)束，腳離地進(jìn)入擺動期；擺動期，踝關(guān)節(jié)和 腳趾關(guān)節(jié)各自恢復(fù)到平衡狀態(tài)，為下一個步態(tài)周期做好準(zhǔn)備。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明通過多種傳感器采集 反應(yīng)假肢運(yùn)動狀態(tài)的多個物理量，并綜合這些物理量對假肢步態(tài)進(jìn)行識別，識別的精確度 得到很大提高。2、本發(fā)明在步態(tài)識別過程中對不同步態(tài)之間的切換需要同時滿足多個條 件，在一定程度上提高了對紊亂步態(tài)等干擾的抑制能力。3、本發(fā)明提出了一種新的且同時 含有動力踝關(guān)節(jié)和動力腳趾關(guān)節(jié)的步態(tài)識別方法。


圖1是一種動力膝下假肢的結(jié)構(gòu)示意2是本發(fā)明的步態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。如圖1所示，本發(fā)明首先需要在動力膝下假肢上安裝以下傳感器角度傳感器，分 別安裝于動力膝下假肢的踝關(guān)節(jié)1和腳趾關(guān)節(jié)2處，用來測量踝關(guān)節(jié)1和腳趾關(guān)節(jié)2的角 度以及估計踝關(guān)節(jié)1和腳趾關(guān)節(jié)2的轉(zhuǎn)速；壓力傳感器，分別安裝于動力膝下假肢的后腳掌 3和前腳掌4底部，用來測量腳對地面的壓力；接觸式開關(guān)，分別安裝于動力膝下假肢的腳 跟5和腳尖6下部，用來檢測腳跟5和腳尖6與地面的接觸情況；線性分度計，安裝于與動 力膝下假肢的踝關(guān)節(jié)驅(qū)動器7相串連的彈簧8上，用來測量彈簧8的線性位移，進(jìn)而估算彈 簧8所產(chǎn)生的拉力。如圖2所示，本發(fā)明的步態(tài)轉(zhuǎn)換包括以下步驟1、當(dāng)腳跟5觸地(H = 1)，同時腳跟5處壓力大于某一個閾值(Fh > Fph)且踝關(guān) 節(jié)1向后轉(zhuǎn)動(么-<0)時，踝關(guān)節(jié)1進(jìn)入被動跖屈階段。其中H是腳跟5(Heel)的縮寫， 表示位于腳跟5下部的接觸式開關(guān)的狀態(tài)，且H = 1表示接觸式開關(guān)閉合，H = 0表示接觸 式開關(guān)斷開；Fh表示腳跟5處壓力傳感器的測量值，即腳跟5所受壓力；Fph表示預(yù)先定義(Predefined)的腳跟壓力閾值(常量)，具體數(shù)值根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得到；之-表示踝關(guān)節(jié)速 度，通過對位于踝關(guān)節(jié)1處角度傳感器測量的踝關(guān)節(jié)角度θ ankle求導(dǎo)得到，用來表示踝關(guān)節(jié) 1轉(zhuǎn)動方向。2、當(dāng)腳尖6觸地(T= 1)時，被動跖屈階段結(jié)束，踝關(guān)節(jié)1進(jìn)入被動背屈階段，此 時踝關(guān)節(jié)1向前轉(zhuǎn)動，直到踝關(guān)節(jié)1達(dá)到前向最大角度或腳跟5離地(H = 0)時為止。其 中T是腳尖6 (Toe)的縮寫，表示位于腳尖6下部的接觸式開關(guān)的狀態(tài)，且T= 1表示接觸 式開關(guān)閉合，T = O表示接觸式開關(guān)斷開。3、當(dāng)腳跟5離地(H = 0)，踝關(guān)節(jié)1處力矩超過某個閾值(Tankle> τ pp)且踝關(guān)節(jié)1 反向轉(zhuǎn)動(0a kle <0 )時，踝關(guān)節(jié)1進(jìn)入主動跖屈階段。其中Tankle表示踝關(guān)節(jié)1處的力矩，由 彈簧8的彈力乘以力臂得到；τ pp代表預(yù)先定義的力矩閾值，具體數(shù)值根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得到。4、與此同時，腳趾關(guān)節(jié)2受壓彎曲(θ t。e < 0)，腳趾關(guān)節(jié)2進(jìn)入到被動背屈階段。 其中θ toe表示位于腳趾關(guān)節(jié)2處角度傳感器測量的腳趾關(guān)節(jié)角度。5、當(dāng)前腳掌4對地面的壓力超過某一閾值時(FT > Fpt)，腳趾關(guān)節(jié)2進(jìn)入到主動跖 屈階段，這時腳趾關(guān)節(jié)2開始向下轉(zhuǎn)動。其中Ft表示腳尖6處壓力傳感器的測量值，即前 腳掌所受壓力；Fpt表示預(yù)先定義的腳尖壓力閾值(常量)，具體數(shù)值根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得到。6、當(dāng)踝關(guān)節(jié)1和腳趾關(guān)節(jié)2達(dá)到指定角度或者腳尖6離地(T = O)時，主動跖屈 階段結(jié)束，腳離地進(jìn)入擺動期。擺動期，踝關(guān)節(jié)1和腳趾關(guān)節(jié)2各自恢復(fù)到平衡狀態(tài)(θ ankle =0 and θ toe = 0)，為下一個步態(tài)周期做好準(zhǔn)備。
權(quán)利要求
一種基于動力膝下假肢的步態(tài)識別方法，其包括以下步驟1)首先在動力膝下假肢上安裝以下傳感器角度傳感器，分別安裝于動力膝下假肢的踝關(guān)節(jié)和腳趾關(guān)節(jié)處，用來測量踝關(guān)節(jié)和腳趾關(guān)節(jié)的角度以及估計踝關(guān)節(jié)和腳趾關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)速；壓力傳感器，分別安裝于動力膝下假肢的后腳掌和前腳掌底部，用來測量腳對地面的壓力；接觸式開關(guān)，分別安裝于動力膝下假肢的腳跟和腳尖下部，用來檢測腳跟和腳尖與地面的接觸情況；線性分度計，安裝于與動力膝下假肢的踝關(guān)節(jié)驅(qū)動器相串連的彈簧上，用來測量彈簧的線性位移；2)當(dāng)H＝1，同時FH＞FPH且時，踝關(guān)節(jié)進(jìn)入被動跖屈階段；其中H表示位于腳跟下部的接觸式開關(guān)的狀態(tài)，且H＝1表示接觸式開關(guān)閉合，H＝0表示接觸式開關(guān)斷開；FH表示腳跟處壓力傳感器的測量值；FPH表示預(yù)先定義的腳跟壓力閾值，具體數(shù)值根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得到；表示踝關(guān)節(jié)速度，通過對位于踝關(guān)節(jié)處角度傳感器測量的踝關(guān)節(jié)角度θankle求導(dǎo)得到；3)當(dāng)T＝1時，被動跖屈階段結(jié)束，踝關(guān)節(jié)進(jìn)入被動背屈階段，此時踝關(guān)節(jié)向前轉(zhuǎn)動，直到踝關(guān)節(jié)達(dá)到前向最大角度或H＝0時為止；其中T表示位于腳尖下部的接觸式開關(guān)的狀態(tài)，且T＝1表示接觸式開關(guān)閉合，T＝0表示接觸式開關(guān)斷開；4)當(dāng)H＝0，Tankle＞τpp且時，踝關(guān)節(jié)進(jìn)入主動跖屈階段；其中Tankle表示踝關(guān)節(jié)處的力矩，由彈簧的彈力乘以力臂得到；τpp代表預(yù)先定義的力矩閾值，具體數(shù)值根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得到；5)與此同時，當(dāng)θtoe＜0時，腳趾關(guān)節(jié)進(jìn)入到被動背屈階段；其中θtoe表示位于腳趾關(guān)節(jié)2處角度傳感器測量的腳趾關(guān)節(jié)角度；6)當(dāng)FT＞FPT時，腳趾關(guān)節(jié)進(jìn)入到主動跖屈階段，這時腳趾關(guān)節(jié)開始向下轉(zhuǎn)動；其中FT表示腳尖處壓力傳感器的測量值；FPT表示預(yù)先定義的腳尖壓力閾值，具體數(shù)值根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得到；7)當(dāng)踝關(guān)節(jié)和腳趾關(guān)節(jié)達(dá)到指定角度或者T＝0時，主動跖屈階段結(jié)束，腳離地進(jìn)入擺動期；擺動期，踝關(guān)節(jié)和腳趾關(guān)節(jié)各自恢復(fù)到平衡狀態(tài)，為下一個步態(tài)周期做好準(zhǔn)備。FSA00000250080800011.tif,FSA00000250080800012.tif,FSA00000250080800013.tif
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于動力膝下假肢的步態(tài)識別方法，其包括以下步驟1)首先在動力膝下假肢的相應(yīng)位置安裝傳感器；2)當(dāng)H＝1，同時FH＞FPH且時，踝關(guān)節(jié)進(jìn)入被動跖屈階段；3)當(dāng)T＝1時，被動跖屈階段結(jié)束，踝關(guān)節(jié)進(jìn)入被動背屈階段，此時踝關(guān)節(jié)向前轉(zhuǎn)動，直到踝關(guān)節(jié)達(dá)到前向最大角度或H＝0時為止；4)當(dāng)H＝0，Tankle＞τpp且時，踝關(guān)節(jié)進(jìn)入主動跖屈階段；5)當(dāng)θtoe＜0時，腳趾關(guān)節(jié)進(jìn)入到被動背屈階段；6)當(dāng)FT＞FPT時，腳趾關(guān)節(jié)進(jìn)入到主動跖屈階段，這時腳趾關(guān)節(jié)開始向下轉(zhuǎn)動；7)當(dāng)踝關(guān)節(jié)和腳趾關(guān)節(jié)達(dá)到指定角度或者T＝0時，主動跖屈階段結(jié)束，腳離地進(jìn)入擺動期；擺動期，踝關(guān)節(jié)和腳趾關(guān)節(jié)各自恢復(fù)到平衡狀態(tài)。本發(fā)明提出了一種新的且同時含有動力踝關(guān)節(jié)和動力腳趾關(guān)節(jié)的步態(tài)識別方法。
文檔編號A61F2/70GK101947151SQ20101026753
公開日2011年1月19日 申請日期2010年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月30日
發(fā)明者朱金營, 王啟寧, 王龍, 袁克彬 申請人:北京大學(xué)