STM32控制假肢

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对于小腿截肢患者，踩关节假肢可以有效替换失去的小腿及足部。安装跺关节假肢
能够有效地为截肢者提供基本运动功能，使患者恢复一定的生活工作能力，减轻生活的
压力与对他人的依靠，使患者在身体与心理上都有很好的恢复，帮助截肢者重拾信心，
回归社会。在跺关节假肢的研究历史长河中，假肢的研究种类经历了被动式假肢、主动
式假肢和主被动混合控制假肢。
最初的被动式假肢采用可以被动储存能量的弹簧、气压缸或者液压缸，这种假肢依
靠高性能的材料与结构，由人体的重力压缩弹性元件产生弹性势能，然后弹性势能释放
支撑人体向前走，这种方式虽然能提供一定的行走动力，但由于弹性元件的不可控性导
致患者截肢处的损伤较大，而且消耗的体能较多;随着机器人技术的发展，主动式躁关
节假肢的研究与发展越来越迅速[6]，这种假肢采用传感器确定假肢的状态，以内置的电
机提供动力，并且以微处理器处理传感器信息，输出人体躁关节需要的力与角度，使假
肢很好的配合人体运动，但这种假肢由于没有类似被动式假肢储存人体下降时的储存重
力势能的机构，输出的动力全部由电机输出，对电池的体积和电机输出功率要求较高，
随之带来导致传动机构笨重，整个假肢的体积与重量都太大造成患者穿戴的不舒适。

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20世纪前半期，假肢控制理论和实践开始发展，工业发达国家先后开展了大规模
的研究研发，相继推出了多种样式假肢，电子控制、气压液压、碳纤维钦合金材料和先
进的控制算法等技术被大量的地应用于假肢领域。之后国外的一些公司和科研机构率先
采用了微电子技术、计算机控制技术与康复医学工程技术等多项技术，相继研制出了智
能型的躁关节假肢并且投入临床应用。
美国密歇根大学[}a一设计的下肢假肢(如图1.1左)是一款用于大腿截肢的假肢，
它充分利用人体重心下降时产生的重力势能，对该能量进行储存。在踩关节处安装弹簧，
通过电机的的驱动控制弹簧与假肢之间离合器的复位与开启。其工作原理是:当脚跟着
地时，弹簧开始被压缩储能，直到弹簧被压缩到极限，这时脚跟离合器锁合，保持储能。。
当前脚掌处的压力传感器检测到压力的时候，脚跟离合器立即开启，释放能量，将整个
人体推动起来，机构在脚悬空时复位。这种假肢充分利用的了弹簧的储能作用，具有类
似人体一样的储能作用。
冰岛奥索公司[po-iy的智能假肢跺关节Proprio Foot(如图1.1右)是一款能够实现
自主控制的假肢。这种假肢的优势在于它能实时根据地形的变化调整假肢的动作，不同
的地形状态，包括斜坡、楼梯、坐下与站起等状态在控制器的调配中可以智能的选择人
体需要的躁关节角度，在这种先进的控制方案下，患者可以轻松自然的实现站立，行走，
坐下和转动等不同的动作。在行走的时候，这种假肢为了应对路面不平整或者有缺陷的
情况，提供了一种假肢在摆动期时可以让脚尖准确上抬的动作，从而增强了患者的舒适
性。该主动式智能躁关节假肢产品己经进入市场，是目前为数不多的商品化的主动式智
能踩关节假肢。这种假肢能够实现假肢不同状态之间的切换，从而满足了人体踩关节运
动的复杂性，为假肢的控制研究提供了一种可行的方向。

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日本大阪大学【12]采用磁流变阻尼器设计踩关节假肢。磁流变阻尼器的粘滞系数会受
到磁场强度的影响，在弱磁环境下，粘滞系数极低，阻尼力小，而在强磁场下，瞬间具
有极大的粘滞系数，可以提供足够的阻尼力。通过不同的磁场强度控制磁流变阻尼器的
阻尼力大小，结合传感器信息的采集，该假肢实现了步态的规划。但是该假肢对磁流控
制器的控制要求较高，另外磁流变阻尼器的重量也比较大，使穿戴者体能消耗过大。

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现在比较先进的跺关节假肢研究是Hugh Herr教授领导的假肢研究试验室【i3-is)，他
们通过对人体的步态运动进行研究，对步态运动进行分解，划分步态相位，采用串联弹
性执行器，并且使用自动控制技术使所设计假肢能够比较完美的实现步态运动特性。图
1.2(右)为Herr团队研发的踩关节假肢实物模型。其所设计假肢已经能够具有非常好
的运动步态特性，能够像正常人一样行走，在复杂路面也具有比较良好的适应能力，甚
至可以让单腿截肢患者完成跳舞等复杂运动，这种设计方法是一种恰当的研究思路。

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二十一世纪以来，包括北京大学、苏州大学和河北工业大学在内的国内等高校相继
开展了假肢课题。在北京大学，王启宁博士等人研制处了一种主动型踩关节假肢ys-i}}
如图1.3所示。整个足底板由脚掌和脚后跟两部分组成，并且在后脚跟和脚掌处分别装
上执行机构。执行机构均采用的是电机和滚珠丝杠组合的驱动装置，电机驱动滚珠丝杆
后带动螺母上串联弹簧从而驱动后脚跟与前脚掌。后脚跟处的串联弹簧可以实现假肢落
地时的缓冲与储能功能，前脚掌处的弹簧实现人体重心下降时的能量储存，并在足底离
开地面时的蹬地阶段释放能量，推动人体向上行走。这种假肢的执行机构为串联弹簧执
行器，实现了假肢的柔顺性设计。并且在假肢足底的前后端分别装了足底压力传感器用
于判断假肢的运动状态。
河北工业大学杨鹏教授等人根据日本磁流体假肢的运行原理研发出了一种变阻尼
被动式假肢[l81，如图1.4所示。该假肢的通过控制电机来改变气缸内气体运动，气缸里
面的推动杆带动足部运动，从而模拟人体的踩关节运动，并且这种假肢采用嵌入式控制
器研制出了假肢控制系统，并使用霍尔角度传感器得到假肢的实时运动信息，合适的控
制方案使假肢能够适应不同的情景中[}2z-zz}。但这种假肢由于有气缸的存在，在实际的应
用中需要添加气泵等相关的气压系统构件，导致最终的假肢结构比较笨重，不便于穿戴。

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韩亚丽等[19]根据人体踩关节的生物力学特性，通过对人体行走过程中踩关节角度力
矩变化关系的特征分析，把躁关节运动中的角度与力矩关系理想化，并分解躁关节假肢
运动过程，通过确定关键位置把阻抗曲线件简化成线段，简化了躁关节的运动需求，在
此基础上设计了一种主动与被动相结合的低功耗的躁关节假肢三维模型。这种踩关节假
肢采用了减速箱加锥形齿轮传动的方式，使用线性弹簧设计出了串联弹性执行器和并联
储能弹簧。假肢的三维模型如图1.5所示，其中并联弹簧的设计可以储存人体重心下降
时的重力势能，有效的降低了电机的力矩输出，但是线性弹簧重量比较大，在实际穿戴
中可能使穿戴者感到不适。
苏州大学的李娟等}ZO-z i】研制出一种主被动混合的踩关节假脚，如图1.6所示，该踩
关节假肢采用扭簧作为假脚行走的储能元件，脚后跟处采用线性弹簧作为被动储能元
件，而主动的能量输出是通由电机驱动实现的。另外李娟还通过分析足底压力信息和关
节角度信息在踩关节不同运动阶段的状态，建立了踩关节假肢不同步态的判断表。苏州
大学设计出的样机通过工业机器人夹持踩关节假肢的上端，模拟人行走的过程，从而不
断调试该假肢，这种调试方法为假肢的实验过程提供了一种可靠的解决方案。但是这种
假肢的结构设计方式导致结构归于笨重，其中还有锥形齿轮等结构，使假肢重量较大，
不利于患者穿戴，

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根据以上分析可以发现，国内的踩关节假肢技术大部分处于建模分析的阶段，在提
供能量的方式中往往只在主动与被动之间只选择一种方式，主动与被动结合驱动的假肢
还比较少，但是大数研究学者己经意识到这种主动与被动结合驱动的方式已经成为了一
种可行的改进方向。另外国内的相关研究有实物样机的比较少，市场上的产品大部分以
被动性假肢为主，大批量智能化假肢的市场实现还需要借助一些关键技术的改进。

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本文主要工作是通过对踩关节的生物力学性能进行分析，设计了一种主被动混合控
制的踩关节假肢样机，对该样机机械结构中的串联弹簧执行器和并联弹簧系统进行了优
化分析，在此基础上研制了了基于有限状态机和模糊PID的控制系统，并分别对角度控
制和力矩控制进行了仿真。同时也开发了一套基于STM32的控制器硬件结构与软件系
统，使控制器具有传感器信号采集，控制算法设计，电机驱动以及信号传输的功能，并
假肢的功能是替代人体躁关节和人脚为截肢患者提供相应的生物功能。尤其是人体
的踩关节，作为人体主要负重关节之一，拥有历曲背曲、内外翻与旋转共3个自由度。
为了更好的设计躁关节假肢样机和控制算法，需要了解踩关节的物理结构，并对人体行
走时踩关节的的生物力学性能进行研究分析，其中包括躁关节角度与力矩的变化，能量
的产生与释放过程。通过对踩关节功能的分析，为假肢的结构设计和控制方案的实现提
供了依据。

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构成人体踩关节与足部的骨头多达26块之多，主要结果如图2.1所示，包括胫骨，
跟骨，胖骨，拓骨，趾骨等，骨头之间由韧带群与肌肉群连接并提供动力，从而实现踩
关节的运动[22]。人体踩关节主要是由距跟关节和距小腿关节组成，连接小腿与足部。距
小腿关节由胖骨和胫骨下端与距骨的关节组成，在人体前行运动时，距小腿关节会经历
背屈和拓屈两个阶段。保持足部稳定的关键的关节是距下关节，该关节协同和辅助踩关
节的运动，支配跄中关节和前足的活动[[23]。距小腿关节用于实现踩关节背屈和拓屈的运
动，是我们研究的假肢主要替换的关节。
跺关节和脚足部内部的关节，使人体的踩关节具有了三个自由度。踩关节与大腿膝
关节之间的相互配合，使人体足部能够适应各种不同的复杂路况，完成稳定行走过程。
足部与踩关节之间虽然有着是相互协同作用的关系，但是足部是明显有区别于脚踩关节
的，当人体在一定环境下需要的时候，人体足部可变成一个可看作是单一的刚体，刚度
很大且不易发生改变。同样在有需要的情况下，而足部也可以变得十分灵活，特别具有
柔顺性，刚度可以随时转变[24]。足部可以随时根据需要在刚性和柔性之间进行任意的状
态切换，生物力学非常复杂，这同时也是在踩关节假肢设计中需要考虑的重点和难点。

1万 · 2019-7-2 12:56

腿髓关节的旋转自由度共同实现了人体的转向运动，为了简化踩关节功能设计，踩关节
的旋转自由度可以由大腿骸关节的旋转代替。而内外翻大多数用于保持人体的平衡，但
是平衡的作用可以由脚步的移动实现。所以踩关节提供最重要的自由度是踢屈背屈，使
人体产生向上向前的运动，这是躁关节最基本的一个功能。因此，在国内外大部分的踩
关节假肢设计中，最关心的仍然是踢屈背屈的实现，而且只完成一个运动自由度也使假
肢结构的设计与控制变得更加轻巧实用。
根据踩关节跄屈背屈运动，人体足部可以分为胫骨，足弓与踩关节，其中足弓可以
分为脚跟与脚掌，踩关节的拓屈背屈运动是由脚跟脚掌与胫骨组成的旋转副实现的。如
图2.1所示，在以下的论述中，以足弓水平着地为零参考点，拓屈(前脚掌绕踩关节下
垂，脚后跟绕踩关节上升与小腿背部靠近)角度为正，背屈(前脚掌绕踩关节上升靠近
小腿正面，脚后跟绕踩关节下降与小腿背部远离)角度为负，一般正常人的距小腿关节
的转动范围是:踌屈角度范围在+50。以内，背屈角度在一20“以内，踩关节一共有70 0
的运动范围[}2s}

1万 · 2019-7-2 12:56

人体行走时，躁关节处的力学特性与生物力学特性都比较复杂，包括踩关节能量的
存储释放，角度的变化以及力矩的提供，这个过程其具有重复性、周期性和协调性的特
点。只有对踩关节在人体行走中的生物力学特征进行分析，才可以更好的实现假肢样机
的研制。在行走过程中，踩关节会根据人体的需求与路况的变化做出不同的动作，所以
这里的生物力学特性包括运动的轨迹，踩关节的角度与力矩。
人体的行走过程是一系列周期性的动作组合的结果，因此，可以利用步态周期描述
步行的特征。步态周期是指人体的一足从后脚跟着地进过迈步动作后又回复到该足后脚
跟着地的过程，一个步态周期的时间就是一个人的跨步时间[[26]。一般情况下，一个健康
的成年人正常行走的步态周期为1秒多一点的时间，行走的距离为1.44m，所以人体的
不行速度在1.3 7m/s左右。在以下的分析计算中，步态周期都是用is的单位计算。
根据对步态周期的划分，可以得到人体行走时踩关节的运动特点。自然状态下人在
水平地面上的一个行走周期内可以分为支撑阶段与摆动阶段，支撑阶段为人体足底与地
面接触，在支撑阶段中，人体足部为完全腾空状态，不与地面进行任何的接触，足部的
摆动运动为大腿带动脚踩的自由摆动，此时，人体提供支持与行走动力时的阶段，在该
阶段，据足弓与地面的不同接触情况分为控制踢屈、控制背屈和动力踢屈三个阶段【Z}l .
摆动相指足底完全离开地面的阶段，该阶段开始于脚跟与地接触时刻，结束于脚尖离开
地面时刻。人体的行走就是摆动阶段与支撑阶段相互交替的过程，不断地重复控制坏屈、
控制背屈、动力拓屈与摆动状态，从而实现人不断向前行走。其中支撑阶段占整个步态
周期的的60%，摆动阶段所用的时间占整个步态周期的40%}as-a9}，整个步态周期的的
运动过程如图2.2所示。