【文章內(nèi)容簡介】 接，就可以進行測試測試了。 圖11 設(shè)備實物連接圖 測試結(jié)果曲線 根據(jù)實驗測得的數(shù)據(jù)，用Matlab畫圖功能分別得到膝、踝在一個步態(tài)周期內(nèi)的針閥開度曲線如圖12和圖13所示 。 圖12 膝關(guān)節(jié)針閥開度曲線 圖13 踝關(guān)節(jié)針閥開度曲線Matlab程序（膝關(guān)節(jié)的）如下：x=[ ， ， ， ， ， ， ， ， ，1 .6 ， ， ， ，]。y=[， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ，]。plot(x,y)。hold on。grid on。plot(x,y,39。b*39。)。hold on。xlabel(39。步態(tài)周期 （s）39。)。ylabel(39。膝關(guān)節(jié)針閥直線移動距離 （mm）39。)。axis([ 2 0 ])。hold on。 小結(jié)本章完成了測試膝、踝協(xié)調(diào)針閥開度的上位機程序的設(shè)計與編寫。主要工作有兩部分，一是MFC的學(xué)習(xí)，二是做實驗，測數(shù)據(jù)。這部分工作的完成，對膝踝協(xié)調(diào)控制策略的選定有重要的指導(dǎo)意義。4 膝踝協(xié)調(diào)控制算法設(shè)計4．1 控制策略的選擇專家控制方法，就是將一些常識性知識、理論性知識以及規(guī)則庫集成在一起構(gòu)成知識庫，然后由推理機根據(jù)當(dāng)前情況匹配相應(yīng)知識，由推理歸規(guī)則產(chǎn)生策略，再執(zhí)行相應(yīng)策略來實現(xiàn)控制的一種方法。在正常人的歩態(tài)周期中，一般可以簡單劃分為支撐期和擺動期兩個階段。支撐期是指下肢有和地面接觸的整個時期，是指同一只腳的腳跟觸地到腳趾離地的階段，約占整個步行周期的60%。擺動期是指下肢在空中擺動的時期，就是下肢不接觸地面的時期，是指同側(cè)腳趾離地到腳跟著地的階段，約占整個步行周期的40%，如圖14所示。 圖14 人體步態(tài)周期根據(jù)對人體步態(tài)周期的分析，該膝踝協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采用了專家控制方法。具體方法是：從整個步態(tài)周期區(qū)選取四個關(guān)鍵點擺動期、膝關(guān)節(jié)伸展時刻、腳跟著地時刻、踝關(guān)節(jié)足平時刻來實施控制。由于不同時期三個霍爾傳感器輸出不同，控制器采取動作不同，但同一時期采取的動作卻是相同的。這很符合基于專家控制的方法，將每個時期判定條件與對應(yīng)反應(yīng)動作制作成專家信息庫，隨時監(jiān)測隨時調(diào)用，大大提高了控制效率。其具體控制策略框圖見圖15。 步態(tài)識別 步態(tài)信息檢測 膝踝協(xié)調(diào)控制 步態(tài)控制控制策略調(diào)整步速　 圖15 控制策略框圖 步態(tài)與霍爾元件輸出對應(yīng)關(guān)系為：三個霍爾元件輸出排列為111，說明踝關(guān)節(jié)進入腳跟著地時刻；若輸出為101，則為踝關(guān)節(jié)足平時刻；輸出為110，則膝關(guān)節(jié)進入擺動期；輸出為011，進入膝關(guān)節(jié)伸展時刻。對應(yīng)關(guān)系表見表1。表1 步態(tài)與霍爾輸出對應(yīng)關(guān)系步態(tài)輸出霍爾HALL1HALL2HALL3腳跟著地時刻111踝關(guān)節(jié)足平時刻101擺動期110膝關(guān)節(jié)伸展時刻0114．2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 此系統(tǒng)程序設(shè)計包括兩大部分內(nèi)容，即主程序設(shè)計和中斷服務(wù)程序設(shè)計。 主程序設(shè)計一般來講，主程序的設(shè)計都較為簡單，本設(shè)計也是如此?？梢杂靡痪湓捀爬?，那就是：在啟動初期完成各種初始化工作。完成這些任務(wù)后，就進入省電模式，直到接收到中斷信號，這也是MSP430比其它單片機功率消耗要小很多的原因之一。主程序流程圖見圖16。系統(tǒng)上電初始化進入低功耗模式開總中斷 等待中斷 圖16 主程序流程圖 中斷程序設(shè)計為什么要做上電復(fù)位程序，原因與復(fù)位電路的設(shè)計相同。如果一上電，電機螺桿位置不在正確的地方，那假肢有可能處于不承受力的狀態(tài)。穿戴假肢的人就有可能摔倒，從而受到傷害。上電復(fù)位程序用看門狗定時器來完成。簡述其原理就是：電機螺桿有共四個位置。由霍爾元件輸出判斷電機螺桿位置。判定電機為不同位置，都進入看門狗程序，只是從相應(yīng)電機位置的控制程序開始執(zhí)行并順次執(zhí)行下去。直到最后使電機回到原點位置并鎖死為止。具體可參見下面流程圖的內(nèi)容，其流程圖如圖17所示。看門狗中斷電機位置是否為1電機位置是否為2電機位置是否為3電機位置是否為4中斷結(jié)束電機向上運動N步設(shè)置電機位置為2電機向下運動至原點設(shè)置電機位置為3電機向上運動至針閥鎖死設(shè)置電機位置為4關(guān)閉看門狗中斷是是是是否否否否 圖17 上電復(fù)位中斷程序這一中斷程序可以說是整個軟件系統(tǒng)的核心。這個中斷程序必須保證有足夠高的執(zhí)行頻率，因此設(shè)置定時中斷頻率為500Hz。該程序原理是：先實時采集霍爾傳感器信號，再根據(jù)三個霍爾元件輸出的不同組合來識別步態(tài)，同時用算法計算出步態(tài)周期，便可以到步進電機的控制參數(shù)，然后調(diào)用專家控制庫中的控制規(guī)則來完成對膝、踝關(guān)節(jié)針閥開度的調(diào)節(jié)。這樣，就實現(xiàn)了系統(tǒng)對假肢步速的實時調(diào)節(jié)。該程序流程圖如圖18所示。定時器A中斷開始實時讀取霍爾傳感器信號中斷結(jié)束判斷假肢膝關(guān)節(jié)是否將進入擺動期判斷假肢膝關(guān)節(jié)是否將進入支撐期判斷假肢踝關(guān)節(jié)是否即將腳跟著地判斷假肢踝關(guān)節(jié)是否進入足平時刻打開膝關(guān)節(jié)針閥開度關(guān)閉膝關(guān)節(jié)針閥開度打開踝關(guān)節(jié)針閥開度關(guān)閉踝關(guān)節(jié)針閥開度是是是是否否否否圖18 定時器A中斷程序示意圖 之所以要用定時器B來完成電機控制，原因就在于步進電機控制所使用的定時器不允許被其他程序嵌套，同時該程序又必須能進入其它中斷程序。換言之，該中斷程序使用的定時器必須是MSP430中優(yōu)先級最高的。而MSP430中，定時器B滿足這個條件。故此用定時器B中斷程序來完成步進電機的控制，同時需要用定時器A來完成前期的步態(tài)識別以及控制電機運動方向等問題。中斷服務(wù)程序流程圖見圖19。根據(jù)設(shè)定方向走 完步數(shù)定時器B中斷開始中斷結(jié)束判斷步進電機是否走完步數(shù)是否圖19 定時器B中斷服務(wù)程序4．3 小結(jié)本章內(nèi)容完成了膝踝協(xié)調(diào)控制方法的軟件設(shè)計，實現(xiàn)了對膝、踝關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)控制。致此，基本上完成了課題內(nèi)容的要求。 結(jié) 論智能假肢的研究對于肢體殘疾人員恢復(fù)正常行走能力有著很重要的作用。膝、踝關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)的假肢比起單一的智能膝關(guān)節(jié)和智能踝關(guān)節(jié)，能夠使穿戴者的行走步態(tài)更接近于正常人，而且穿戴者不易感覺到疲勞。課題在設(shè)計和分析了控制系統(tǒng)的硬件電路的基礎(chǔ)上，設(shè)計并實施了測定膝踝關(guān)節(jié)針閥開度曲線的實驗，用MFC編寫上位機程序，將數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦上，并利用Matlab畫圖功能分別繪出了膝、踝關(guān)節(jié)針閥開度曲線。用三個霍爾元件識別步態(tài)，并將三個霍爾元件輸出的電平、不同步態(tài)、針閥開度、電機動作聯(lián)合為一體，形成了專家控制的知識庫，在控制算法當(dāng)中引用專家控制知識庫，從而優(yōu)化了膝踝協(xié)調(diào)控制方法，使系統(tǒng)的控制效果更加突出。 由于時間倉促，加上知識、能力有限，還是存在很多問題。首先實驗條件不夠成熟，數(shù)據(jù)可信度差。其次，實驗數(shù)據(jù)過少，數(shù)據(jù)說服力度不夠，不能形成有效的控制庫。再次，硬件電路還存在一些問題。例如某些元件容易過熱等。這些問題將在以后繼續(xù)優(yōu)化解決。 參 考 文 獻1 王人成．我國假肢技術(shù)的研究與進展[J]．中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志，2012，27（11）: 10581060.2 沈凌,[J].中國組織工程研究，2012,16(13):24512454.3 王人成，[J].中國醫(yī)療器械信息，2009,15(1):35. 4 王錕．智能假肢膝踝協(xié)調(diào)控制與應(yīng)用[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2013.5 [J].中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志，2008,23(2):145147.6 [J].機器人，2013,35(3):276282.7 [J].醫(yī)用生物力學(xué)，2013,28(4):363365.8 Aaron M. Dollar，Hugh Herr. Design of a QuasiPassive Knee Exoskeleton to Assist Running[A]. IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems[C],2008:747754.9 ,. Contribution of Prosthetic Knee and Ankle Mechanisms to SwingPhase Foot Clearance[J].IEEE TRANSACTIONS ON NEURAL SYSTEMS AND REHABILITATION ENGINEERING