【正文】 指下肢有和地面接觸的整個(gè)時(shí)期，是指同一只腳的腳跟觸地到腳趾離地的階段，約占整個(gè)步行周期的 60%。 4 膝踝協(xié)調(diào)控制算法設(shè)計(jì) 4． 1 控制策略的選擇 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 13 專家控制方法，就是將一些常識(shí)性知識(shí)、理論性知識(shí)以及規(guī)則庫(kù)集成在一 起構(gòu)成知識(shí)庫(kù)，然后由推理機(jī)根據(jù)當(dāng)前情況匹配相應(yīng)知識(shí)，由推理歸規(guī)則產(chǎn)生策略，再執(zhí)行 相應(yīng)策略來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的一種方法。主要工作有兩部分，一是 MFC的學(xué)習(xí)，二是做實(shí)驗(yàn)，測(cè)數(shù)據(jù)。hold on。)。 ylabel(39。步態(tài)周期 （ s） 39。hold on。b*39。grid on。 plot(x,y)。 圖 12 膝關(guān)節(jié)針閥開(kāi)度曲線 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 12 圖 13 踝關(guān)節(jié)針閥開(kāi)度曲線 Matlab 程序（膝關(guān)節(jié)的）如下： x=[ ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 1 .6 ， ， ， ， ]。 實(shí)物連接圖如圖 11所示，整個(gè)設(shè)備由控制器、 mini USB 連接線、調(diào)試器、 USB 轉(zhuǎn)串口線組成，將每一部分連接起來(lái)，并將 USB 轉(zhuǎn)串口線的 USB 端與 PC 的 USB 端連接，就可以進(jìn)行測(cè)試測(cè)試了。然后選中顯示當(dāng)前值，在對(duì)話框中就會(huì)顯示出快、中、慢三種情況下的針閥開(kāi)度。 圖 10 MFC測(cè)試程序 在上圖界面中，首先打開(kāi)串口，以啟用串口通信功能。 編好的程序調(diào)試界面如圖 10 所示。首先完成函數(shù)類以及成員變量的命名及初始化，其次需要建立消息映射機(jī) 制并在函數(shù)中添加相應(yīng)的代碼。 ，選擇你需要的各種控件并排列，使界面整潔美觀。 霍爾 1 霍爾 2 霍爾 3 軌跡 磁鐵 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 10 MFC 測(cè)試程序設(shè)計(jì) 運(yùn)用 C++的 MFC編寫上位機(jī)測(cè)試程序，其基本過(guò)程如下： MFC的可執(zhí)行程序，輸入文件標(biāo)題，確立該工程的基本屬性問(wèn)題。 建立了一套控件綁定機(jī)制，使得程序員所要編寫的內(nèi)容大為減少，這種傻瓜式的機(jī)制為程序員 提供了方便，也大大提高了程序的正確性和可靠性。這個(gè)機(jī)制在面向接口的編程中是必須的。之所以用 MFC 編寫來(lái)編寫應(yīng)用程序，就是因?yàn)樗闪艘陨祥_(kāi)發(fā)工具，使得程序的開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)化成了大部分的模塊的調(diào)用加上小部分的代碼編寫，使得出錯(cuò)率以及變成難度都大大降低了。微軟公司之所以提供 MFC類庫(kù)，主要是因?yàn)槌绦驈谋举|(zhì)上來(lái)講無(wú)非是文件操作、數(shù)據(jù)庫(kù)操作以及人機(jī)之間交互界面的設(shè)計(jì)。 3． 2 MFC 測(cè)試程序設(shè)計(jì) MFC 簡(jiǎn)介 MFC 可以看做是微軟公司提供給大眾用來(lái)編寫應(yīng)用程序的具有引導(dǎo)性的框架。 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 9 圖 9 測(cè)試示意圖 將一個(gè)周期的距離均分為等距離小段，記錄下每一端點(diǎn)處膝、踝針閥開(kāi)度值。 3 膝、踝關(guān)節(jié)針閥開(kāi)度曲線的測(cè)定 測(cè)試針閥開(kāi)度曲線的意義在于：通過(guò)測(cè)定一個(gè)周期內(nèi)不同步速下膝、踝關(guān)節(jié)針閥開(kāi)度， 此處指的是 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行步數(shù)，從而 建立完整的專家控制庫(kù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)智能假肢系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。由于系統(tǒng)是以鋰電池供電，容量有限，故此設(shè)計(jì)以省電為首要任務(wù)。引腳的連接介紹如下：河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 8 SP3232EEN 的 TXD、 RXD 引腳直接與 MSP430 單片機(jī)具有串口通信功能的引腳 、 相連， TIOUT、 RIN 引腳則與九針串口的 3 管腳相連。 本設(shè)計(jì)采用數(shù)字芯片 SP3232EEN 來(lái)進(jìn)行電平之間的轉(zhuǎn)換，因其電源電壓范圍為，非常適合本系統(tǒng)使用。由于電腦使用 RS232標(biāo)準(zhǔn)，而 MSP430 單片機(jī)的 I/O 口是 TTL 電平，二者使用的標(biāo)準(zhǔn)不一致，故此連接時(shí)必須加上電平轉(zhuǎn)換電路。 三個(gè)霍爾元件的位置已經(jīng)由實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)分析得出，分別為原點(diǎn)處、 處和 21mm 處。其檢測(cè)原理為：利用三極管的特性，三極管集電極采用 3V供電，霍爾元件在無(wú)磁場(chǎng)時(shí)輸出 ，故此導(dǎo)通， HALL輸出為高電平 1；有磁場(chǎng)時(shí)霍爾元件輸出為 0，三極管截止， HALL 輸出為低電平 0。活塞當(dāng)前運(yùn)動(dòng)位置與不同步態(tài)呈對(duì)應(yīng)關(guān)系，也就是說(shuō)，檢測(cè)到活塞當(dāng)前運(yùn)動(dòng)位置 就可以識(shí)別步態(tài)，因此通過(guò)霍爾傳感器采集的信號(hào)即河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 7 可識(shí)別步態(tài)。工作時(shí)，先使 CE CE2 保持高電平（以下高電平用 1表示，低電平用 0表示），使能 FAN8200D，再使 IN IN2 電平輸入依次為 0 1 00，由 FAN8200D 的官方技術(shù)資料，可知四路輸出依次為十六進(jìn)制數(shù) 09H、 05H、 06H、 0AH，于是步進(jìn)電機(jī)就以 DAACCBBD 的雙四拍工作方式運(yùn)動(dòng)起來(lái)。由上圖， FAN8200D 的輸入引腳 ININ2 分別接 MSP430 單片機(jī)的 、 ，輸出引腳 OUT1 至 OUT4 引腳直接與步進(jìn)電機(jī)相對(duì)應(yīng)的引腳相連， CE CE2 引腳則同時(shí)接在單片機(jī)的 引腳上。選用 芯片 FAN8200D 來(lái)設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)電路圖如圖 5所示。該電機(jī)控制精度高，步距角 15176。其次，系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的響應(yīng)速度和電機(jī)的耐用性都有一定要求。該電路輸出電壓與 TPS77001 類似，也有 )13121(* RRVVrout ??，其中 Vr=， 為了保證輸出電壓為 5V，由公式計(jì)算得出 R12/R13 的值約為 。有的單片機(jī)需要 電壓供電，則按照公式計(jì)算得 R10/R11 約為 ，取 R10/R11= 即可。其輸出電壓 )11101(* RRVV ro ?? ，其中 Vr=，故此關(guān)鍵之處即為確定 R10 與 R11 之比。 圖 2 復(fù)位電路 升壓穩(wěn)壓模塊 降壓穩(wěn)壓模塊 驅(qū)動(dòng)電路 MSP430 串口通信模塊 復(fù)位電路 步進(jìn)電機(jī) 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 5 電源模塊設(shè)計(jì) 系統(tǒng)采用單個(gè)鋰電池供電，其優(yōu)點(diǎn)固然是可減小系統(tǒng)的體積，但由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊需要 5V 電壓供電， MSP430 單片機(jī)需要 3V 電壓供電，而鋰電池提供的有效工作電壓范圍是 （實(shí)驗(yàn)顯示，當(dāng)鋰電池電壓降到 時(shí)，電池電量只剩下 5%，已經(jīng)不能為系統(tǒng)提供穩(wěn)定電壓了），因此需要將鋰電池的電壓轉(zhuǎn)換為各個(gè)模塊所需要的電壓。復(fù)位電路的電路圖如圖 2所示，其中 DVCC 接單片機(jī)供電電壓 +3V。 復(fù)位電路設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)復(fù)位電路，原因在于單片機(jī)初始上電時(shí)狀態(tài)并不確定，這種不確定狀態(tài)很有可能產(chǎn)生一些問(wèn)題，甚至有可能對(duì)穿戴假肢的人構(gòu)成危險(xiǎn)。其整體的電路結(jié)構(gòu)圖如圖 1 所示。 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 4 總之， MSP具有超低功耗、編程效率高、豐富的片上外圍模塊和模塊接口、系統(tǒng)時(shí)鐘穩(wěn)定、方便高效的 C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)方式等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用作智能假肢膝踝協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制器。 C語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)環(huán)境大大降低了編程人員的 門檻，使得編程者容易上手。如此多的自帶模塊可以為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供很大的方便。它還自帶 1 2 個(gè) USART 接口，方便與外界通信。 MSP430 自帶有高精度、快速度的 A/D 轉(zhuǎn)換器，這對(duì)信號(hào)的采集和處理幫助很大。這使得程序能夠流暢運(yùn)行。 MSP430 單片機(jī)是基于 RISC 精簡(jiǎn)指令集，即哈佛結(jié)構(gòu)的單片機(jī)。如今高性能單片機(jī)層出不窮，但 MSP430 單片機(jī)超低功耗這個(gè)特性，仍舊是其它單片機(jī)不可比擬的。同時(shí)要求主控器具備比較強(qiáng)的運(yùn)算能力，滿足系統(tǒng)對(duì)大量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理的要求 。 第四章 主要進(jìn)行了控制系統(tǒng)軟件方面的設(shè)計(jì)，控制策略選用的是專家控制方法。 第二章 主要完成了膝踝協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)，包括復(fù)位電路、電源電路、 步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊、霍爾電路模塊以及串口通信模塊。 ，對(duì)智能下肢假肢進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。具體研究?jī)?nèi)容包括： MSP430 單片機(jī)接口功能。與普通智能假肢相比而言，由于是膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，保證了良好的步態(tài)跟隨特性，使 得殘疾人的步態(tài)趨于自然。 發(fā)展形勢(shì)總述 盡管智能假肢已經(jīng)取得長(zhǎng)足發(fā)展，但以往智能假肢大多只考慮膝關(guān)節(jié)的調(diào)節(jié)作用，幾乎沒(méi)有一款假肢能夠?qū)崿F(xiàn)膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，因此都存在步態(tài)不協(xié)調(diào)、假肢容易損壞和穿戴者能耗大的問(wèn)題。到了 20 世紀(jì) 90年代，清華大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)正式加入了假肢的研究與生產(chǎn)當(dāng)中，這才揭開(kāi)了國(guó)內(nèi)現(xiàn)代化假肢的序幕。 20 世 紀(jì) 50 年代末，我國(guó)又在很多地方都修建了假肢廠，服務(wù)對(duì)象由面向革命傷殘軍人轉(zhuǎn)為面向全社會(huì)的肢殘人士。 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2 國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r 我國(guó)的假肢起步較晚，根據(jù)清華大學(xué)王人成教授《我國(guó)假肢技術(shù)的研究與進(jìn)展》所述， 1945 年在張家口建立了新中國(guó)第一個(gè)假肢廠。 20 世紀(jì)后，智能下肢假肢技術(shù)出現(xiàn)突破性進(jìn)展，仿生智能假肢產(chǎn)品已經(jīng)推向市場(chǎng)。 1986 年來(lái)自日本的中川昭夫首先提出用微處理器來(lái)控制膝關(guān)節(jié)針閥，從而改變膝關(guān)節(jié)阻尼實(shí)現(xiàn)步速調(diào)整的構(gòu)想，這種膝關(guān)節(jié)假肢被稱為智能假肢。這種假肢步態(tài)不協(xié)調(diào)，路況適應(yīng)能力差，不具有步速跟隨功能。戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束以后，假肢行業(yè) 得到了很大發(fā)展，西方發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛成立了假肢研究所，掀起了假肢技術(shù)發(fā)展的小高潮。早在 19世紀(jì) 60年代，歐洲人就發(fā)明了首個(gè)人工假肢。 1． 2 智能假肢國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r 在很早的時(shí)候，各國(guó)都產(chǎn)生過(guò)木頭制成的假肢。其中下肢截肢者喪失了最基本的行走能力，安裝假肢是補(bǔ)償其運(yùn)動(dòng)功能的最佳途徑。 關(guān)鍵詞 ： 膝踝協(xié)調(diào) 針閥開(kāi)度曲線 MFC 專家控制 河北工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文摘要 Title The Research of Coordinated Control of Knee And Ankle for Intelligent Prosthesis Abstract Although intelligent prosthesis growing vigorously in recent years, the products which can achieve coordinated control of knee and ankle are numbered. In this r