膝踝协调控制器设计与调试.docx

河北工业大学城市学院2015届本科毕业设计说明书 河北工业大学城市学院 毕业设计说明书作 者： 学 号： 系： 控制科学与工程学院 专业： 自动化 题 目： 膝踝协调控制器设计与调试 指导者： 讲师 评阅者： 副教授 年 月 日毕业设计（论文）中文摘要膝踝协调控制器设计与调试摘要：随着科技的进步和大众生活水平的提高，残疾人所佩戴的传统机械式假肢正在慢慢淡出人们的视野，高性能的智能假肢逐渐成为残疾人的选择，也成为科研工作者的追求目标。本课题主要通过三维步态分析系统分析正常人行走步态参数，分析行走各个阶段所需要的步态参数。对比正常人和膝上假肢穿戴者的步态数据，分析膝上假肢穿戴者在运动过程中存在的问题，建立不同步态下的控制策略。通过传感器采集运动信息，并用MSP430单片机分析数据，然后发出控制信号，控制假肢在不同的步速及路况下改变合适的步态。为智能膝上假肢提供设计思路和依据。关键词：膝踝协调 MSP430 智能假肢 传感器 步态河北工业大学城市学院2015届本科毕业设计说明书毕业设计（论文）外文摘要Title The Design And Debugging of Coordinated Control System of Knee And Ankle AbstractWith the progress of science and technology and the improvement of living standards of the masses, disabled people wearing the traditional mechanical prosthetics is slowly faded, high-performance intelligent prosthetic gradually become the choice of the disabled, has become a scientific research workers to the pursuit of the goal. This topic mainly through the analysis of the three-dimensional gait analysis system normal walking gait parameters, analysis of the walking gait parameters of the stages need. Compared to normal and knee prosthesis the wearers gait data, analysis of knee prosthesis problems existing in the process of the wearer in sports, set up under different gait control strategy. Through the sensors to collect information, using MSP430 single chip microcomputer analysis data, and then signal control, control the prosthetic with different road conditions and the pace of change proper gait. To provide intelligent knee prosthesis design idea and basis.Keywords： knee and ankle coordination MSP430 intelligent prosthesis sensor gait 目 次1 引言111 选题的目的和意义112 国内外发展状况213 课题研究内容32 膝踝协调硬件设计321 控制芯片MSP430介绍322 硬件电路设计423 小结103 膝踝关节针阀开度曲线测定1131 测试方案设计1132 MFC测试程序开发1133 小结154 膝踝协调控制算法设计1541 控制策略研究1542 控制系统软件设计1643 小结20结 论21参 考 文 献22致 谢241 引言11 选题的目的和意义2006年12月我国发布了第二次全国残疾人抽样调查公报，其结果显示我国残疾人总数是8296万，占总人口的比例为6.34%。其中有2412万人为肢体残疾，占残疾人总数的29.07%。大约85%的肢体残疾者是下肢截肢，人口总数约158万。该结果表明我国残疾所占比例有所上升，总数也增加了3000万左右1。改革开放以后我国经济迅猛发展，人民的生活水平也不断提升，整个社会也越来越关心残疾人的生活。社会状况的改变给人们的生活创造来良好的物质条件，残疾人的购买力和生活水平也有了较大的提高。这使得残疾人对生活的要求不再仅仅是能够自理，而开始追求更加舒适的高水平生活。对于膝上截肢的残疾人来说，穿戴一只智能、高效的假肢能有效的提高生活品质，使他们回归社会，建立自信，为社会做出新的贡献。目前膝上假肢有三种：被动型膝上假肢(Passive Transfemoral Prosthesis)、半主动型膝上假肢(Semi-Active Controlled Transfemoral Prosthesis)、动力驱动型膝上假肢(Active Transfemoral Pros- thesis)2。上世纪末期的假肢为纯机械假肢，通过弹簧、气缸和液缸提供阻尼，穿戴着必须根据行走速度和路况手动调整针阀开度，从而改变阻尼，这样的假肢步态僵硬，不可以根据佩戴者的行走速度改变阻尼，使佩戴者的行走压力很大，行走过程中容易疲劳3。这使得使用者在走路时极为不适，不仅影响走路的美观，还可能摔倒对自身造成伤害。半主动型膝上假肢及动力驱动型膝上假肢虽然研发难度大，但能协调控制膝踝关节姿态，甚至高度模拟正常人走路步态，即时适应步速、路况，自动对步态做出调整，给使用者完美的使用体验。目前智能假肢在我国甚至发达国家都还没有普及。膝踝协调假肢的研制不仅能帮助残疾人重返正常生活，还能促进我国智能假肢的技术水平，提高国际竞争力，有利于我国相关领域的发展。对于膝上截肢的残疾人来说，能有一只行动灵活，适应生活中所遇到各种路况的假肢是一件梦寐以求的事。可是由于研究难度大，起步时间较晚，使我国的技术比较落后。而国外产品的价格昂贵，使得一般残疾人家庭难以承受，他们往往只能使用传统的被动型假肢，而很难实现正常生活的愿望。因此我国自主开发价格低廉且性能优越智能膝踝协调控制假肢就成为一件非常急迫的任务。具有膝踝协调控制功能的假肢能使使用者在各种不同的步速和路况下正常行走，这不仅仅能使残疾人维持基本的生存，更能让残疾人回到社会中来，参加大众活动，并重新建立起自信心，为社会做出更多对贡献，有效提高膝上截肢残疾人的生活品质。假肢膝关节与踝关节的控制由MSP430单片机完成，在实验过程中，我们通过分析不同情况下的步态参数，设置相应的控制信号。MSP430单片机通过分析步态参数，发出相应的控制信号，调整假肢姿态，使动作顺利完成。12 国内外发展状况1.2.1 国外发展状况智能假肢起初在上个世纪70年代由麻省理工学院Woodie Flowers进行研发，他将微型处理芯片用在假肢上，并用其控制膝关节。后来Woodie Flowers的两个学生，Darling及Grimes共同开发出了根据健测肢体反馈信息来控制的假肢4,5。1986年日本的中川昭夫等人第一次提出了使用微型处理器芯片控制控制针阀开度从而控制智能假肢的构想6。现在全球许多发达国家都在研制具有智能结构的假肢，比如德国Otto Bock公司发明的仿生智能假肢C-Leg智能仿生腿7,8。冰岛OSSUR公司和美国Hanger Orthopedic Group公司研制的POWER KNEE。目前世界首个膝踝功能协调控制的假肢是由美国范德堡大学研发的，此假肢为主动式假肢，膝关节和踝关节可以根据使用者活动状况做出即时反应。1.2.2 国内发展状况在产品领域，我国市场几乎被国外产品全部占据，虽然国内假肢生产厂商众多，但多以传统被动型假肢为主，早已不能满足残疾人对高品质生活日益高涨的需求。在科技领域，我国在上世纪80年代在智能人工腿的研究上有了一定的成就。但是，因为我国在智能下肢领域的研究起步晚，造成与美国、日本等国家依然有较大差距。近些年来我国智能假肢领域飞快发展，可是我国从事相关研究的机构和学者仍然很少，所以在该领域依然与发达国家有一定差距9。我国的一些大学研发更侧重于传统被动式假肢的研发，对膝踝协调方面的研发非常少。清华大学的张济川、王人成、金德闻等教授通过最优方法研发出多连杆假肢膝关节结构，这种结构可以保持支撑稳定性10,11。上海理工大学的喻洪流教授以及中南大学的谭冠政教授等人在智能假肢领域均有所建树12,13。13 课题研究内容本设计对正常人和残疾人的行走规律进行了分析，并据此对膝踝协调控制器的硬件进行设计，研究了膝踝协调的算法。具体研究内容包括：(1)熟悉MSP430单片机接口功能。(2)通过MSP430单片机进行设计膝踝协调控制器硬件部分，对比健全人和下肢残疾人的行走规律，从而得出膝踝协调控制算法。(3)通过传感器判断残肢侧和健肢侧步态信息，对智能假肢进行正确控制。本课题主要内容如下：第一章简单介绍了本课题目前国内外发展状况和重大意义。第二章对膝踝协调控制系统各硬件模块进行介绍，包括复位电路、电源电路、传感器模块、步进电机驱动模块以及串口通信模块。第三章完成MFC上位机程序的编写以及实验数据测定。第四章完成膝踝协调控制方法选择以及控制系统软件研究。2 膝踝协调硬件设计21 控制芯片MSP430介绍假肢膝踝协调控制器仅用一节电源提供能源，所以主控制器以及其他器件选择一定要符合低功耗的要求，且由于假肢机械结构已经设计完毕，故电路板的面积要尽可能小，最大限度节省空间。根据膝踝协调的功能需求，控制器的硬件设计需包括：单片机复位模块、电源模块、传感器模块、步进电机驱动模块、串口通信模块、红外通信模块等。控制电路设计应符合以下要求：(1)选择可以提供大量外设、大量接口的主控制芯片，并且要具有数据采集、控制、通信等功能；(2)要有专门针对电源管理的模块，满足系统不同部分电压的要求；(3)具备一定的运算能力，为系统大量进行实时数据运算提供保障。本课题使用德州仪器公司生产的MSP430F2274单片机。MSP430系列是一个16位单片机，具有精简指令集、超低功耗等特点，它主要由以下几部分组成：基础时钟模块，包括2个晶体振荡器、1个数控振荡器(DCO)以及一个VLOCLK；门狗定时器WDT，还可用作通用定时器；分别带有3个和7个捕捉/比较寄存器的16位定时器Timer_A3和Timer_B7；模拟比较器ComparatorA；10位AD转换器ADC10；P1和P2是两个具有中断功能的并行通信数据端口；1个硬件乘法器；2个串行通信接口USARTO与USART1。本课题需要使用到基础时钟模块、16位定时器Timer_A、16位定时器Timer_B、Flash储存器、USART通信模块以及模数转换器ADC10。图1所示为系统硬件组成框图，图2所示为MSP430F2274的引脚功能图。红外通信模块MSP430单片机传感器模块步进电机驱动模块电源模块串口通信模块图1 系统硬件组成框图 图2 MSP430引脚图22 硬件电路设计本课题设计的假肢主要针对膝上截肢患者，其使用的假肢为膝上假肢，具有膝关节和踝关节两个人工关节，因此需要进行膝踝关节的协调控制，其控制器主要包括复位电路、电源模块、传感器模块、步进电机驱动模块和串口通信模块。2.2.1 复位电路设计单片机上电是电压不稳定，可能使单片机工作出现问题。复位电路可以在不稳定时将单片机初始化到某一状态，从而避免危险情况的发生，提高了系统的可靠性和安全性。图3所示为本课题选取的上电复位电路电路图。图3 上电复位电路图其工作过程为系统刚开始上电时，电容开始充电，电容相当于导线，即相当于接地，此时为低电平。当电容慢慢饱和，电压提高到3V，即变成高电平。2.2.2 电源电路设计本课题选用的电源是尼康EN-EL12锂电池，这款电池体积小巧，稳定性好，电池容量是1050mAh，电池电压范围是2.7V4.2V。MSP430单片机的供电电压为3V，而步进电机驱动模块的驱动电压为5V，所以本系统电源模块要用到电压转换单元和充电单元两部分组成。TPS77001芯片可把电源电压转换成3V，外围电路如图4；LTC3426芯片可把电压转换成5V，外围电路如图5；充电电路住芯片为TP4056，外围电路如图6，通过miniUSB接口接PC机或电源适配器可为锂电池充电。图4 TPS77001外围电路图图5 LTC3426外围电路图图6 TP4056外围电路图2.2.3 传感器模块设计本系统在样机调试时使用了3个EST248型霍尔传感器，用来识别膝踝假肢的步态。霍尔元件由5V电源供电，有磁场感应时的输出是0，没有磁场感应时输出是高电平3.7V；MSP430单片机I/O接口电压在3V左右，低于霍尔传感器没有磁场时的输出电压，低电平为0V左右，所以需要信号调理电路将霍尔传感器无磁场输出电压降低到3V。信号调理电路如图7。图7 信号调理电路图在信号调理电路中，三极管集电极电压由DVCC_Board(3v)供电，当霍尔元件没有磁场时的输出电压为3.7V时，三极管导通，因此HALL处输出3V信号；当霍尔传感器有磁场感应时，其输出电压是0，三极管不导通，HALL处电平也是0。故HALL处可直接连接单片机I/O口。当采集试验数据时，前后脚掌均使用FSR402型压力传感器。压力传感器需接入一个运算放大器才可得出输出信号。当压力传感器与地面接触的时候，其输出电压是0V，当压力传感器离开地面的时候，其输出电压是4.3V。因此两个压力传感器需要连接调理电路进行电压转换，如图8所示。两个压力传感器需要两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器的LM358芯片（如图9），可以满足同时接入两个压力传感器。为了采集假肢膝关节与踝关节的角度变化数据，还需在假肢膝关节与踝关节的同轴上安装RDC50型角度传感器，其输出电压是0V5V，由5V电源供电，也需要将输出电压转换为3V以内并且连接到MSP430单片机具有A/D 能力的I/O接口。其外部调理电路与霍尔传感器所使用的外部电路相同，如图7所示。图8 电压调理电路图9 LM358芯片2.2.4 步进电机驱动模块设计智能膝踝协调控制系统主要是通过点击调整气缸针阀开度，从而实现不同步速下对膝关节和踝关节气缸阻尼调节的目的。步进电机具有响应速度快、控制精度高、体积小重量轻、电池寿命长等特点，符合智能下肢对电机的要求，因此本课题使用的电机是海顿直线电机公司生产的20000系列永磁式直线步进电机，它使用双极性绕组，工作电压5V，功率2.7W，步距角15。，步长0.0254mm，最小推力6N。本步进电机的驱动方式为双极性驱动，每极只有一个绕组，通过改变绕组中的电流方向，改变相应极上大电磁极性。在智能假肢膝踝协调控制系统中，我们选用FAN8200D同时控制两个步进电机。FAN8200D是一款集成低电压单片式步进电机驱动器，能同时驱动两相电路。可以满足假肢控制器电源模块的需求，输出时序稳定，没有电机抖动和丢步现象，其电路原理图如图10所示。其中FAN8200D的IN1、IN2引脚接MSP430单片机的P1.0、P1.2引脚，CE1、CE2引脚同时接P1.1引脚，OUT1、OUT2、OUT3、OUT4引脚直接和步进电机相对应的引脚连接。由FAN8200D的控制时序可知，在电机运动开始后，在一个周期内，CE1、CE2引脚保持高电平，即单片机P1.1口输出高电平。而IN1引脚电平的变化顺序为低、高、高、低,IN2引脚电平的变化顺序为高、高、低、低，对应P1.0的输出电平的变化顺序是低、高、高、低，P1.2输出电平的变化顺序为高、高、低、低。故对应MSP430单片机P1OUT的输出变化为0x06、0x07、0x03、0x02。图10 FAN8200D电路图2.2.5 串口通信模块设计串口通信用途非常广泛，很多工业总线都是以串口通信为基础。本课题中，我们通过PC上位机软件来调试控制器的参数，控制器通过RS232接口与PC机相连。由于MSP430芯片的I/O口是TTL电平，不能与RS232直接相连，需要进行电平转换才能正常工作。使用SP3232EEN数字芯片进行电平转换，可以加强电路的稳定性，它的电源电压区间是3.0V-5.5V，非常方便，并能够支持进行两路串口的电平转换。TXD、RXD引脚与MSP430单品机带有UART功能的I/O引脚直接相连，TIOUT、RIN引脚直接和九针串口的2、3管脚连接，实物图如图11。图11 SP3232EEN电路图本系统里，通过SP3232EEN芯片进行电平转换，串口通信波特率设为9600bps，实现上位机和MSP430单片机进行数据传输。2.2.6 红外通信模块除上述通过串口通信调整膝踝协调假肢控制器参数的方法外，我还设计了一款基于红外通信的手持遥控器，它使用红外传输的方法来调整控制器参数。红外数据通信是一种通过红外线在两台设备间进行数据信息交换传输的通信方法，这种通信方法采用红外线波长在0.75m25m之间。本课题设计的红外通信系统主要由单片机、编解码装置、收发装置组成。由于在红外通信中采取特定的脉冲编码标准，这和MSP430单片机的RS232通信标准不一样，所以我们要进行红外脉冲编码标准与RS232通信标准之间的转换。我选用HSDL-7001芯片来实现这两种标准的转换，它主要完成对发送的数据进行编码和对接收到的数据进行解码。HSDL-7001芯片特点包括：符合IrDA1.0物理层规范；接口与SIR收发器相兼容；可直接与单片机的UART相连；可发送/接收1.63s或3/16脉冲形式；内部或外部时钟模式；波特率可编程；工作电压范围为2.75.5V。电路原理图如图12。其中，2、3引脚直接与MSP430单片机带有UART功能的I/O引脚相连，10、11引脚与HSDL-3201芯片的6、7引脚相连，实现IrDA1.2标准红外信号与TTL电平串行数据的相互转换，Y1为3.6864MHz晶振，用来提供芯片内部工作时钟。收发装置主要实现以红外方式进行信息的接收和发送。收发器使用HSDL-3201芯片，比较廉价工作电压为2.7至3.6V，符合IrDA1.2(低功耗的IrDA1.0标准)物理层规范，可直接与HSDL-7001编解码芯片连接使用，电路原理图如图13。图12 HSDL-7001芯片电路原理图图13 HSDL-3201芯片电路原理图23 小结综上所述，在本课题的红外通信系统中，HSDL-7001芯片将MSP430单片机串口发送的数据按照红外脉冲的特定格式编码，再由HSDL-3201芯片将编码好的数据发送出去。HSDL-3201芯片接受其他红外线设备发送的信息，并把数据传递给HSDL-7001芯片实施解码，解码完成把信息再传递给MSP430单片机。3 膝踝关节针阀开度曲线测定为了完成对智能假肢的膝踝协调实时控制，我们需要在不同步速下，对一个周期内膝关节与踝关节的针阀开度进行测定，即步进电机运行的步数，形成一个完整的专家知识库，从而达到良好的控制效果。31 测试方案设计轨迹磁铁 霍尔3霍尔2霍尔1图14 测试示意图如图14所示，三个霍尔元件的位置固定，磁铁从第一个霍尔元件开始，运动到第三个霍尔元件，然后从第三个霍尔传感器返回到第一个霍尔传感器，即为一个步态周期；ClassWizard把程序代码填写到基本框架中。32 MFC测试程序开发3.2.1 MFC简介MFC（Microsoft Foundation Class Library）中有一个基本的应用程序框架，这歌框架是由各类组合形成的，程序员可以在这个框架的基础下编写windows的各种程序。MFC还为用户提供了各种接口，用户可以按照基本框架编写程序，并通过接口实现更多的功能。Microsoft Visual C+提供了相应的工具来完成这个工作：AppWizard可以自动生成程序基本的框架；资源编辑器可以协助用户简洁明了的实现用户接口；然后进行编译。用MFC编写上位机程序，原理简单，集成了许多功能，可以大大简化开发过程，减少错误，极大程度降低了开发难度。MFC具有以下优点：(1)MFC捆绑了一系列的套件，这些捆绑的套件给程序员提供了非常大的方便，减少了许多程序员的编写内容，也使得用户编写的程序更加优质可靠。(2)RUNTIME_CLASS给开发者提供了一个通过接口创建对象的机制。在面向接口的编程里，这样的机制是非常重要的。(3)MFC采用消息映射机制。因此，MFC在编写windows程序上受到了众多用户的欢迎。3.2.2 MFC测试程序及测试结果曲线上位机测试程序需要用MFC编写完成，其主要步骤为：(1)新建MFC可执行程序，(2)创建程序的类名，基本名以及文件名。(3)将对话框属性按需要设定好，并且整齐美观的选取并排列所需控件。(4)编辑对话框类。首先命名和初始化函数类和成员变量。然后创建消息映射机制，并且在程序内增添相关程序代码。串口程序做好，即能够开始进行编译并运行。图15所示为编写完成的程序调试界面。图15 MFC程序调试界面首先点击开串口按钮，来启动串口通信。然后勾选膝关节或者踝关节，选择测试对象。再点击显示当前值按钮，此时对话框中即出现快中慢三种步速下膝关节或者踝关节对应的针阀开度。然后输入设置的开度值，点击发送键，把数据发送到控制器内，并且保存，于是数据被写入MSP430芯片的flash存储区。此时如果发送成功，对话框内应该显示出发送的数据。测试实物连接图如图16，由四部分组成：控制器、miniUSB连接线、调试器、USB转串口线组成，链接好后把USB转串口线和PC机相连，即完成连接。图16 连接实物图用Matlab将所得参数在二维坐标中画出来，即可得到膝关节和踝关节在一个步态周期内的针阀开度曲线。分别如图17图18所示。图17 膝关节针阀开度曲线图18 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);hold on;grid on;plot(x,y,b*);hold on;xlabel(步态周期 （s）);ylabel(膝关节针阀直线移动距离 （mm）);axis(0.5 2 0 1.5);hold on;33 小结本章完成的主要内容是MFC上位机程序的测试以及膝踝关节针阀开度曲线的测试。难点是MFC的研究，重点是测试针阀开度。4 膝踝协调控制算法设计41 控制策略的研究 所谓专家控制方法，即把所掌握的理论知识和常识所形成的规则库集中在一起，形成一个知识库，再用推理机把步态步速信息和知识库进行匹配，根据推理归规则生成对应的控制办法，最后执行该办法，从而进行智能协调控制。正常人在步行时，步态周期可划分成两个阶段：支撑期和摆动期。脚与地面接触的过程称为支撑期，大约占整个步态周期60%上下；从脚与地面分离到下一次与地面接触中间的时期称为摆动期，大约占整个步态周期的40%左右。步态周期如图19所示。图19 步态周期图专家控制的具体方式：从整个步态周期选取摆动期、关节伸展时刻、脚跟着地时刻、踝关节足平时刻四个特殊点进行控制。三个霍尔元件会在不同的步态时期产生不同的输出组合，控制器会根据霍尔元件的输出采取不同的动作，但是相同的步态时期采取相同的控制动作。把不同步态时期的控制动作和判断条件相对应形成专家信息库，符合专家控制方法，而且可以在任意时刻监测和调用，使得控制效率极大的提高了。控制策略框图见图20。 步态识别 步态信息检测 膝踝协调控制 步态控制控制策略调整步速图20 控制策略框图步态与霍尔元件的输出具有一定对应关系：当脚跟开始着地的时候，三个霍尔传感器的输出组合是111；当进入踝关节足平时刻，输出是101；膝关节的摆动期开始后，输出是110；膝关节伸展时刻，输出为011。对应关系表见表1。表1 霍尔元件输出组合和步态周期的对应关系步态输出霍尔HALL1HALL2HALL3脚跟着地时刻111踝关节足平时刻101摆动期110膝关节伸展时刻01142 控制系统软件设计该控制系统软件设计由两部分组成：主程序研发以及中断服务程序研发。4.2.1 主程序设计此控制系统主程序的任务是：系统启动后，首先进行系统的初始化。初始化工作完成之后，MSP430开始以省电模式运行进，当有中断信号时，脱离省电模式，也正是因此，MSP430芯片的消耗功率较小。图21为系统主程序的流程图。系统上电初始化进入低功耗模式开总中断 等待中断图21 主程序流程图4.2.2 中断程序设计(1)上电复位程序设计之所以进行上电复位的设计，其原因与复位电路的设计一样。假如上电后电机螺杆位置错误，假肢就可能处于不受力的状态。从而使使用者不方便甚至造成摔倒等严重伤害。上电复位程序需要看门狗定时器进行，它的基本过程是：电机螺杆一共有四个位置，根据霍尔传感器的输出电平组合确定电机螺杆位置。无论电机起始位置如何，均进入看门狗程序，根据判断的电机位置，从对应的位置开始依次向下执行。电机最终回到起点位置，并且锁死。图22所示为上电复位程序流程图。看门狗中断电机位置是否为1电机位置是否为2电机位置是否为3电机位置是否为4中断结束电机向上运动N步设置电机位置为2电机向下运动至原点设置电机位置为3电机向上运动至针阀锁死设置电机位置4关闭看门狗中断是是是是否否否否图22 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在系统中非常重要，需要的执行频率非常高并且保持稳定，所以中断频率设置为500Hz，此程序的原理是：首先用霍尔传感器收集实时信号，然后通过三个霍尔传感器的不同输出组合进行步态识别，与此同时，用控制算法得出正确的步态周期，就能得到步进电机的控制数据，再采用专家知识库中的控制规则进行膝关节和踝关节针阀的开度调整。该程序流程图如图23所示。定时器A中断开始实时读取霍尔传感器信号中断结束判断假肢膝关节是否将进入摆动期判断假肢膝关节是否将进入支撑期判断假肢踝关节是否即将脚跟着地判断假肢踝关节是否进入足平时刻打开膝关节针阀开度关闭膝关节针阀开度打开踝关节针阀开度关闭踝关节针阀开度是是是是否否否否图23 定时器A中断程序示意图(3)定时器B中断服务程序设计由于系统要求，控制步进电机所使用的定时器不可以被其他程序嵌套，但是此程序又需要可以进入其它中断程序。也就是说，控制步进电机应该使用MSP430中优先级最高的定时器。在MSP430中，定时器B满足这个条件。因此步进电机的控制应该由定时器B中断程序来进行，与此同时，前期步态的识别以及电机运动方向等问题应使用定时器A来进行。图24所示为中断服务程序的流程图。根据设定方向走 完步数定时器B中断开始中断结束判断步进电机是否走完步数是否图24 定时器B中断服务程序43 小结这一章主要完成了膝踝协调控制软件的研究以及控制方法的选择工作，基本上实现了膝关节与踝关节的协调控制。基本完成了本次课题要求。结 论智能假肢可以在很大程度上恢复残疾人行走的正常步态，使他们的行走更加轻松自如，步态更加自然美观，且不易感到疲劳。以往的智能膝关节和智能踝关节并没有把膝踝控制结合在一起，而是单独控制，这样往往行走步态不美观，假肢不能完全发挥潜力。将膝踝控制结合在一起，才能统一整体的控制步态，使膝踝关节的运动相互配合，有机的结合在一起。本设计首先对控制电路的硬件结构进行分析，并用MFC编写上位机程序，分别测定膝关节、踝关节在整个步态周期内针阀开度的数据，并将数据返回到电脑，并输入到Matlab软件中，绘制出膝关节与踝关节的针阀开度曲线。通过三个霍尔传感器的不同输出组合来识别步态。将三个霍尔传感器的输出电平、电机动作、不同步态和针阀开度一一对应，建立专家控制的知识库，根据此知识库发出相应指令，进行膝踝协调控制。这样使膝踝控制算法更加高效，控制效果更好。虽然目前膝踝协调控制器已基本形成，但是依然存在着一些问题，实验数据不多，准确性较低，实验条件有限，缺乏对比数据等。这些问题会在日后日趋完善。参 考 文 献1 第二次全国残疾人抽样调查领导小组，中华人民共和国国家统计局.2006第二次全国残疾人抽样调查主要数据公报.中国康复理论与实践，2006，(12):20032 柏健.智能假肢膝踝协调控制系统对研究和设计学位论文.河北工业大学 20133 耿艳利.下肢运动模式识别及动力型假肢膝关节控制方法研究学位论文.河北工业大学 20124 Giakas G,Baltzopouls V.Time and frequency domain analysis of ground reaction forces during walking and investigatinon of variability and symmetry.Gait and Posture,1997,5:189-1875 van der Linden M L,Solomonidis D E,Spence W D,Li N,Paul JP.A methodology for studying the effects of various types of prosthetic feet on the biomechanics of trans-femoral amputee gait.Journal of 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