本發(fā)明涉及下肢假肢試驗(yàn)，尤其是涉及一種應(yīng)用于下肢假肢試驗(yàn)的步態(tài)協(xié)同控制方法。

背景技術(shù)：

1、傳統(tǒng)的下肢假肢設(shè)計(jì)依賴于實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)迭代，最常見的假肢性能評估方法是受試者測試，涉及受試者主觀因素，在受試者之間存在很高的可變性，且測試結(jié)果不可重復(fù)。

2、為獲取更客觀、可重復(fù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以此指導(dǎo)下肢假肢的設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化，往往使用人體下假肢試驗(yàn)平臺進(jìn)行試驗(yàn)。

3、但是，現(xiàn)有的人體下假肢試驗(yàn)平臺大多是用于測量特定的機(jī)械性能，其對于單個(gè)機(jī)械性能的研究難以揭示下假肢機(jī)械特性與用戶使用體驗(yàn)之間的聯(lián)系，難以實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的步態(tài)模擬。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的發(fā)明目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的人體下假肢試驗(yàn)平臺難以實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的步態(tài)模擬的不足，提供了一種應(yīng)用于下肢假肢試驗(yàn)的步態(tài)協(xié)同控制方法。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、一種應(yīng)用于下肢假肢試驗(yàn)的步態(tài)協(xié)同控制方法，包括上位機(jī)、上部伺服電動(dòng)缸、上部驅(qū)動(dòng)器、設(shè)于上部伺服電動(dòng)缸的伸縮桿和被試假腳之間的s型拉壓傳感器、與被試假腳下表面接觸的旋轉(zhuǎn)板、用于帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)板轉(zhuǎn)動(dòng)的下部伺服電動(dòng)缸、安裝于旋轉(zhuǎn)板上的光電式旋轉(zhuǎn)編碼器和下部驅(qū)動(dòng)器；上位機(jī)分別與上部驅(qū)動(dòng)器和下部驅(qū)動(dòng)器電連接，上部驅(qū)動(dòng)器分別與s型拉壓傳感器和上部伺服電動(dòng)缸電連接，下部驅(qū)動(dòng)器分別與下部伺服電動(dòng)缸和光電式旋轉(zhuǎn)編碼器電連接；

4、上部伺服電動(dòng)缸和s型拉壓傳感器共同實(shí)現(xiàn)垂直方向的模擬重力加載與測量，s型拉壓傳感器用于測量施加于被試假腳上的模擬重力。

5、旋轉(zhuǎn)板、下部伺服電動(dòng)缸和光電式旋轉(zhuǎn)編碼器共同實(shí)現(xiàn)垂直面(矢狀面)內(nèi)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的加載，光電式旋轉(zhuǎn)編碼器可測量旋轉(zhuǎn)板的旋轉(zhuǎn)角度。

6、包括如下步驟：

7、步驟1，工作人員在上位機(jī)中輸入加載控制曲線，上位機(jī)將加載控制曲線分解成模擬支反力控制曲線和擺動(dòng)控制曲線；上位機(jī)將模擬支反力控制曲線下發(fā)給上部驅(qū)動(dòng)器，將擺動(dòng)控制曲線下發(fā)給下部驅(qū)動(dòng)器；

8、步驟2，

9、上部驅(qū)動(dòng)器對模擬支反力控制曲線進(jìn)行時(shí)間分割，將模擬支反力控制曲線分割為n個(gè)加載周期，并利用模擬支反力控制曲線擬合公式計(jì)算各個(gè)分割點(diǎn)的坐標(biāo)值；

10、下部驅(qū)動(dòng)器對擺動(dòng)控制曲線進(jìn)行時(shí)間分割，將擺動(dòng)控制曲線分割為n個(gè)加載周期，并利用擺動(dòng)控制曲線擬合公式計(jì)算各個(gè)分割點(diǎn)的坐標(biāo)值；

11、步驟3，設(shè)i的初始值為1，上部驅(qū)動(dòng)器將上部伺服電動(dòng)缸的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速置為0，下部驅(qū)動(dòng)器將下部伺服電動(dòng)缸的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速置為0；

12、步驟3-1，上部驅(qū)動(dòng)器將模擬支反力控制曲線的第i個(gè)加載周期發(fā)給上部伺服電動(dòng)缸，同時(shí)，下部驅(qū)動(dòng)器將擺動(dòng)控制曲線的第i個(gè)加載周期發(fā)給下部伺服電動(dòng)缸；

13、步驟4，驅(qū)動(dòng)器時(shí)間同步：

14、上部驅(qū)動(dòng)器和下部驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行往返校時(shí)同步；

15、步驟5，協(xié)同加載：

16、步驟5-1，

17、上部驅(qū)動(dòng)器根據(jù)模擬支反力控制曲線的第i個(gè)加載周期的加載曲線起點(diǎn)坐標(biāo)值、終點(diǎn)坐標(biāo)值和加載周期的時(shí)間長度，計(jì)算本加載周期內(nèi)的電機(jī)平均轉(zhuǎn)速，利用電機(jī)平均轉(zhuǎn)速對上部伺服電動(dòng)缸的永磁同步電機(jī)進(jìn)行控制；

18、同時(shí)，下部驅(qū)動(dòng)器根據(jù)擺動(dòng)控制曲線的第i個(gè)加載周期的加載曲線起點(diǎn)坐標(biāo)值、終點(diǎn)坐標(biāo)值和加載周期的時(shí)間長度，計(jì)算本加載周期內(nèi)的電機(jī)平均轉(zhuǎn)速，利用電機(jī)平均轉(zhuǎn)速對下部伺服電動(dòng)缸的永磁同步電機(jī)進(jìn)行控制；

19、步驟5-2，光電式旋轉(zhuǎn)編碼器監(jiān)測旋轉(zhuǎn)板的旋轉(zhuǎn)角度，將旋轉(zhuǎn)角度反饋至下部驅(qū)動(dòng)器，完成位置閉環(huán)控制；

20、s型拉壓傳感器測量模擬支反力加載值，將模擬支反力加載值反饋至上部驅(qū)動(dòng)器，完成加載力閉環(huán)控制；

21、步驟5-3，下部驅(qū)動(dòng)器判斷旋轉(zhuǎn)板的旋轉(zhuǎn)角度是否到達(dá)本加載周期的加載曲線的終點(diǎn)，若已到達(dá)終點(diǎn)，則本加載周期擺動(dòng)加載控制結(jié)束，將本加載周期擺動(dòng)加載控制結(jié)束的信號傳遞給上位機(jī)，上位機(jī)將本加載周期擺動(dòng)加載控制結(jié)束的信號傳遞給上部驅(qū)動(dòng)器；

22、步驟5-4，上部驅(qū)動(dòng)器判斷本加載周期的模擬支反力控制曲線是否到達(dá)終點(diǎn)，若已到達(dá)終點(diǎn)，則本加載周期的模擬支反力加載控制結(jié)束；

23、步驟6，當(dāng)本加載周期的擺動(dòng)加載控制與模擬支反力加載控制均已結(jié)束，若i＜n，上位機(jī)使i值增加1，返回步驟3-1；否則，全部加載結(jié)束。

24、本發(fā)明可對假腳狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，上位機(jī)用于設(shè)定測試模式和參數(shù)，上部驅(qū)動(dòng)器和下部驅(qū)動(dòng)器分別通過力閉環(huán)控制和位置閉環(huán)控制兩種方式對上部伺服電動(dòng)缸和下部伺服電動(dòng)缸進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)高精度的傳動(dòng)定位；s型拉壓傳感器測量施加于被試假腳上的模擬重力的大小并反饋給上部驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)力閉環(huán)控制；光電式旋轉(zhuǎn)編碼器測量旋轉(zhuǎn)平臺板的旋轉(zhuǎn)角度并反饋給下部驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)控制。

25、本發(fā)明通過控制假肢試驗(yàn)臺垂直、旋轉(zhuǎn)協(xié)同運(yùn)動(dòng)與加載，可實(shí)現(xiàn)對不同身高、體重人群及不同運(yùn)動(dòng)過程的模擬，實(shí)現(xiàn)對人體下肢運(yùn)動(dòng)的全步態(tài)準(zhǔn)確模擬，為下肢假肢的開發(fā)與性能測試提供了準(zhǔn)確、可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

26、作為優(yōu)選，所述上部驅(qū)動(dòng)器和下部驅(qū)動(dòng)器均包括ipm芯片、母線電壓檢測芯片、第一a/d轉(zhuǎn)換芯片、隔離驅(qū)動(dòng)芯片、電流檢測芯片、第二a/d轉(zhuǎn)換芯片、集成了fpga與arm處理器的soc芯片、第一rs422接口、第二rs422接口和eth接口；ipm芯片分別與母線電壓檢測芯片和隔離驅(qū)動(dòng)芯片電連接，隔離驅(qū)動(dòng)芯片與fpga電連接，母線電壓檢測芯片通過第一a/d轉(zhuǎn)換芯片與fpga電連接，電流檢測芯片與三相線電連接，電流檢測芯片通過第二a/d轉(zhuǎn)換芯片與fpga電連接，fpga與arm處理器電連接，fpga通過第一rs422接口與上位機(jī)電連接，arm處理器通過第二rs422接口和eth接口與上位機(jī)電連接，上部驅(qū)動(dòng)器的ipm芯片通過三相線與上部伺服電動(dòng)缸的永磁同步電機(jī)連接，所述永磁同步電機(jī)的電機(jī)編碼器與永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)軸連接。

27、ipm芯片為智能功率模塊，主要實(shí)現(xiàn)電源逆變功能；故障信號為ipm芯片輸出的狀態(tài)標(biāo)識信號，當(dāng)ipm芯片故障時(shí)將停止工作并輸出故障標(biāo)識信號，用于保護(hù)永磁同步電機(jī)；fpga通過隔離驅(qū)動(dòng)芯片給ipm芯片下達(dá)控制信號，用于控制uvw三相電電壓驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)旋轉(zhuǎn)；第一a/d轉(zhuǎn)換芯片采集ipm芯片的母線電壓并上傳給fpga，實(shí)現(xiàn)ipm芯片的工作狀態(tài)監(jiān)測功能；第二a/d轉(zhuǎn)換芯片采集uvw三相電流，并上傳給fpga，實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制；電機(jī)編碼器實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度的檢測功能；掛載在fpga上的第一rs422接口輸出同步信號，并上傳給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)不同加載同步控制；掛載在arm處理器上的第二rs422接口和eth接口分別實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器與上位機(jī)的串口通信和網(wǎng)口通信功能。axi總線實(shí)現(xiàn)fpga與arm處理器之間高寬帶、低延時(shí)的數(shù)據(jù)交互。

28、作為優(yōu)選，上部驅(qū)動(dòng)器對模擬支反力控制曲線進(jìn)行時(shí)間分割由如下步驟替換：

29、上部驅(qū)動(dòng)器的arm處理器按照單位時(shí)間對模擬支反力控制曲線進(jìn)行時(shí)間分割；

30、下部驅(qū)動(dòng)器對擺動(dòng)控制曲線進(jìn)行時(shí)間分割由如下步驟替換：

31、下部驅(qū)動(dòng)器的arm處理器按照單位時(shí)間對擺動(dòng)控制曲線進(jìn)行時(shí)間分割。

32、本發(fā)明采用時(shí)間分割插補(bǔ)算法提高運(yùn)動(dòng)軌跡擬合精度，時(shí)間分割插補(bǔ)算法原理為：將需要進(jìn)行插補(bǔ)的運(yùn)動(dòng)軌跡分成若干個(gè)小段，每一小段都對應(yīng)一單位時(shí)間間隔，在每一單位時(shí)間間隔內(nèi)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)軌跡起點(diǎn)坐標(biāo)與終點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算該時(shí)間間隔內(nèi)電機(jī)的控制轉(zhuǎn)速。

33、作為優(yōu)選，步驟4包括如下具體步驟：

34、下部驅(qū)動(dòng)器在其校時(shí)時(shí)隙起點(diǎn)處給上位機(jī)發(fā)送詢問消息，上位機(jī)將詢問消息轉(zhuǎn)發(fā)給上部驅(qū)動(dòng)器；

35、上部驅(qū)動(dòng)器測量詢問消息信號的到達(dá)時(shí)刻，并在其校時(shí)時(shí)隙起始處發(fā)送應(yīng)答信號給上位機(jī)，上位機(jī)將應(yīng)答信號轉(zhuǎn)發(fā)給下部驅(qū)動(dòng)器；

36、下部驅(qū)動(dòng)器測量應(yīng)答消息信號的到達(dá)時(shí)刻，計(jì)算下部驅(qū)動(dòng)器的本地時(shí)間與上部驅(qū)動(dòng)器的本地時(shí)間的時(shí)間偏差，下部驅(qū)動(dòng)器利用時(shí)間偏差對自身本地時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)償，完成時(shí)間同步，并分別向上位機(jī)和arm處理器上報(bào)時(shí)間同步完成的信號。

37、本發(fā)明利用下部驅(qū)動(dòng)器和上部驅(qū)動(dòng)器的雙向?qū)鱽淼窒盘栐谛诺纻鬏斨械恼`差，計(jì)算得出準(zhǔn)確的時(shí)間偏差，下部驅(qū)動(dòng)器對時(shí)差進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)下部驅(qū)動(dòng)器和上部驅(qū)動(dòng)器間的時(shí)間同步。

38、作為優(yōu)選，

39、步驟1之前還包括如下的上電自檢步驟：

40、當(dāng)fpga的程序加載完成后，fpga通過axi總線向arm處理器上報(bào)程序加載完成；若arm處理器運(yùn)行30s后未收到程序加載完成的信號，則arm處理器做出fpga程序未正常加載的判斷；

41、fpga檢測ipm芯片輸出的故障信號是否為高，若輸出的故障信號為高，則表明ipm芯片有故障，fpga通過axi總線向arm處理器上報(bào)ipm芯片故障；否則，上報(bào)ipm芯片正常；

42、fpga通過第一a/d轉(zhuǎn)換芯片采集ipm芯片的母線電壓，若母線電壓測量值在設(shè)定值±10％范圍內(nèi)，則通過axi總線向arm處理器上報(bào)母線電壓正常；否則，上報(bào)母線電壓異常；

43、arm處理器在收到fpga程序加載完成的信號、ipm芯片正常信號和母線電壓正常信號后，通過第二rs422接口向上位機(jī)上報(bào)自檢通過；否則，上報(bào)自檢異常，并上報(bào)異常項(xiàng)。

44、作為優(yōu)選，所述加載控制曲線的橫坐標(biāo)為旋轉(zhuǎn)板轉(zhuǎn)動(dòng)角度，縱坐標(biāo)為模擬地面支反力；模擬支反力控制曲線的橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為模擬地面支反力；擺動(dòng)控制曲線的橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為旋轉(zhuǎn)平臺擺動(dòng)角度。

45、作為優(yōu)選，還包括機(jī)架，設(shè)于機(jī)架上的上部支架和下部支架；下部支架位于上部支架右下方，上部伺服電動(dòng)缸位于上部支架左上方；旋轉(zhuǎn)板通過上轉(zhuǎn)軸與上部支架轉(zhuǎn)動(dòng)連接，下部伺服電動(dòng)缸通過下轉(zhuǎn)軸與下部支架轉(zhuǎn)動(dòng)連接，下轉(zhuǎn)軸位于下伺服電動(dòng)缸的伸縮桿的軸心線上，下伺服電動(dòng)缸的伸縮桿上端通過鉸鏈與旋轉(zhuǎn)版下表面右部連接，光電式旋轉(zhuǎn)編碼器與上轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接。

46、因此，本發(fā)明具有如下有益效果：可實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)動(dòng)模式的協(xié)同控制，可實(shí)現(xiàn)對人體下肢運(yùn)動(dòng)的不同運(yùn)動(dòng)步態(tài)的準(zhǔn)確模擬。