基于有限状态机控制的智能假肢踝关节

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.09.005

中国组织工程研究 ›› 2013, Vol. 17 ›› Issue (9): 1549-1554.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2013.09.005

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基于有限状态机控制的智能假肢踝关节

杨鹏¹，柏健¹，王欣然²，耿艳利¹

1 河北工业大学控制科学与工程学院，天津市 300130
2 山东大学控制科学与工程学院，山东省济南市 250100

收稿日期:2012-07-05 修回日期:2012-08-16 出版日期:2013-02-26 发布日期:2013-02-26
通讯作者: 柏健，硕士，河北工业大学控制科学与工程学院，天津市 300130 bain3207@126.com
作者简介:杨鹏☆，男，1960年生，河北省秦皇岛市人，汉族，2001年河北工业大学毕业，博士，教授，主要从事智能机器人控制、智能假肢及其现代先进制造设备、计算机辅助设计与制造和计算机智能控制方面的研究。 bain3207@126.com

Intelligent prosthetic ankle based on the finite state machine control

Yang Peng¹, Bai Jian¹, Wang Xin-ran², Geng Yan-lⁱ¹

1 Control Science and Engineering College, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China
2 Control Science and Engineering College, Shandong University, Jinan 250100, Shandong Province, China

Received:2012-07-05 Revised:2012-08-16 Online:2013-02-26 Published:2013-02-26
Contact: Bai Jian, Master, Control Science and Engineering College, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China bain3207@126.com
About author:Yang Peng☆, Doctor, Professor, Control Science and Engineering College, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, Chin

摘要/Abstract

摘要：

背景：目前智能假肢只是考虑了膝关节的作用，假肢踝关节只是作为假肢膝关节的辅助工具，无法根据外部环境和步态的变化实现假肢自然的行走。
目的：研制出可靠的智能假肢踝关节，有效改善截肢者的步态。
方法：在阻尼可变式踝足假肢的基础上，提出了有限状态机的控制方法，对踝足步态进行了详细的划分，在每个步态内制定了相关的控制策略。
结果与结论：实验结果表明，基于有限状态机控制的智能假肢踝关节能够有效的跟随健肢侧运动，能够适应不同的步速，为以后膝踝协调运动奠定了一定的实验基础。

关键词: 骨关节植入物, 人工假体, 智能假肢, 膝关节, 有限状态机, 智能控制器, 步态, 截肢, 踝足假肢, 膝踝运动, 数字化, 智能化, 其他基金, 骨关节植入物图片文章

Abstract:

BACKGROUND: At present, intelligent prosthesis only focuses on the function of knee joint, while ankle joint prosthesis is only used as the aid of prosthetic knee joint. So the normal gait cannot be realized according to the change of external environment and gait.
OBJECTIVE: To develop a reliable intelligent prosthetic ankle in order to improve the gait of amputees effectively.
METHODS: Based on the variable damping ankle-foot prosthesis, the control method of finite state machine was proposed. The ankle joint gait was planned in detail, and the relevant control strategy was developed.
RESULTS AND CONCLUSION: Results indicate that the intelligent prosthetic ankle based on the finite state machine control can effectively follow health limb lateral movement, and can adapt to different paces, which lays an experimental basement for later knee ankle coordinated movement.

Key words: bone and joint implants, artificial prosthesis, intelligent prosthesis, knee joint, finite state machine, intelligent controller, gait, amputation, prosthetic ankle-foot, knee and ankle movement, digital, intelligent, other grants-supported paper, photographs-containing paper of bone and joint implants

中图分类号:

R318

杨鹏，柏健，王欣然，耿艳利. 基于有限状态机控制的智能假肢踝关节[J]. 中国组织工程研究, 2013, 17(9): 1549-1554.

Yang Peng, Bai Jian, Wang Xin-ran, Geng Yan-li. Intelligent prosthetic ankle based on the finite state machine control[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2013, 17(9): 1549-1554.

图/表（结果） 9

1 踝关节的结构设计

实验采用了阻尼可调式踝足假肢(清华大学研制，国家康复辅具中心精博加工厂加工)，见图1，该假肢采用一个与上端小腿杆固连、下端与踝关节铰接的气缸；气缸活塞杆由活塞直杆和活塞斜杆铰接而成，活塞斜杆的末端与位于踝关节后方且平行于踝关节轴的支撑轴构成支撑铰链，踝关节轴和支撑轴都安装在与脚板固定连接的底座上。

气缸结构，见图2，假肢踝关节的屈曲和伸展会带动活塞作往复运动。当踝关节屈曲时，活塞在气缸内是向左运动的，此时气缸的气室一会产生高压气体。当假脚离地时，气室一的高压气体所产生的阻尼力会推动活塞向右运动，从而带动假脚向前摆动。在气缸尾部安装的直线步进电机专门用来控制针阀的大小，从而调节气室一与大气之间的气体流动，实现对踝关节屈曲伸展阻尼的控制^[16-17]。

踝足假肢穿戴，见图3。假肢穿戴者在行走过程中，足跟着地进入支撑期时，储能弹簧吸收由活塞斜杆、活塞直杆传递来的冲击力，被压缩来储存能量。同时气缸上部安装的直线步进电机推动针阀逐渐减小与大气间气体的流通，从而增大气缸阻尼力，以提供足够的支撑力。在支撑期结束后，直线步进电机回退，针阀在针阀弹簧的作用下，逐渐增加与大气间气体的流通，从而减小气缸阻尼力，使踝关节转动灵活，使得踝关节的阻尼可以根据支撑期和摆动期可调。

2 人体步态分析和有限状态机控制方法

2.1 相位划分 人体运动，以平地行走为例的步态周期可以被典型的定义为开始于足跟着地并结束于同侧足跟的再次着地，同时将步态分为支撑相，脚与地面接触阶段，约占整个周期的60%和摆动相，脚在空中摆动阶段，约占整个周期的40%。其中，支撑相决定了人体行走的姿态，是人体行走步态控制的主要环节，可以进一步将其划分为3个子相[^18-19]：跖屈控制相(CP)，背屈控制相(CD)，跖屈动力相(PP)，正常人体平地行走步态踝关节相位示意图，见图4。

跖屈控制相：开始于足跟接触地面，至脚底完全接触地面(即足平)结束，这一过程踝关节主要起到缓冲作用。

背屈控制相：开始于跖屈控制相的末端，到踝关节最大背屈状态(即足跟即将离地时刻)结束。踝关节在背屈控制相阶段的主要作用是为下一相位提供身体向前向上的动力储存弹性能量。

跖屈动力相：开始于背屈控制相的末端，到脚尖离地时结束。跖屈动力相阶段释放了踝关节作为扭矩源在背屈控制相阶段储存的能量，为人体前行提供动力。

摆动相：开始于脚尖离地，到同侧足跟再次触地时结束。这一阶段踝关节使脚达到平衡状态，为足跟触地做好准备。

2.2 有限状态机控制方法 有限状态机是表示有限个状态以及在这些状态之间的转移和动作的数学模型。有限状态机的下一个状态是确定的。系统状态的改变取决于系统的输入和当前系统的状态。采用有限状态机进行步态控制的前提是神经运动系统以某种固定的方式来运转。这在下肢行走方面影响不大，下肢受伤或部分残缺不会影响步行习惯的改变^[20-21]。

人体行走时具有重复运动的特性，即脚跟着地到同侧脚尖离地的支撑相约占整个步态周期的60%，脚尖离地到同侧脚跟着地的摆动相约占步态周期的40%，因此可将人体步态进行详细划分，利用有限状态机(FSM)的控制方法，在不同的运动阶段采用不同的控制策略。

将踝关节的步态进行详细规划，典型事件包括：HC表示足跟着地，FF表示脚与地面完全接触(即足平)，TV表示小腿与地面垂直，MD表示最大背屈，TO表示足尖离地。典型步行状态包括：CP表示跖屈控制相，ECD表示背屈控制相前期，LCD表示背屈控制相后期，PP表示跖屈动力相，SW表示摆动相。有限状态机由变换函数和动作函数实现，变换函数为：

式中Si为当前步态状态，Si+1为接下来的步态状态，Ini为输入事件，即使状态发生变换的事件，In∈(HC，FF，MD，TO)。
。
动作函数为：

通过假肢踝关节上的电位计和足底的压力传感器可以进行状态转移的触发。在前脚掌和脚后跟对应位置处安装两个压力传感器，可以检测足跟着地、足平和足尖离地时刻。在假肢踝关节轴上同轴安装旋转电位计，可时刻检测到踝关节轴的旋转角度，这样就可以根据踝关节角度判断小腿与地面垂直、最大背屈时刻。

智能踝关节控制器通过安装在假肢上的传感器实时检测假肢踝关节的当前步态，根据有限状态机给出的控制策略驱动直线步进电机对踝足假肢进行阻尼控制^[22]。有限状态机包括步态识别和步态控制，其中步态识别判断当前假肢步态信息，步态控制给出预定的控制策略，具体的控制结构图，见图5。

3 实验与分析

为了验证踝足假肢在有限状态机控制方法作用下的控制效果，纳入1例男性截肢者，25岁，体质量84 kg，身体健康，为国家康复辅具中心患者，对实验知情同意，符合医学伦理学标准，穿戴行走步行实验。首先，测试前由专业假肢安装技师对受试者进行安装调整，保证其穿戴的安全性和舒适性，避免装配问题对实验结果产生误差。其次，在更换智能假肢踝关节后，受试者要穿戴假肢适应一段时间。

采用Vicon三维光学运动捕捉系统对截肢者假肢侧和健肢侧的踝关节角度数据进行采集^[23]。让假肢穿戴者在日常行走习惯的快速、中速和慢速下进行行走实验，每种情况均重复足够的次数，记录其在3种步速下步态周期各个阶段的时间，见表2。

对于步态差别，用对称性指数进行衡量：其中Tz为健康人在自然状态下的行走步态周期；T为假肢穿戴者者步态周期；Zr为支撑期左右比(小/大)；Mr为摆动期左右比(小/大)。对于步态完全对称的正常人来说，对称性指数Sr的值为1^[24]。在测试者穿戴下肢假肢样机行走并且有意改变步行速度的情况下，测量假肢侧的步态周期，对所得到的数据进行对称性指数计算，对称性指数，见图6，从图中可以看出，实验结果达到了预期的目标，效果较好。

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引言

随着技术的发展和截肢者对假肢要求的不断提高，人们对踝关节假肢的结构及控制方法做了不断的改进。最初是采用弹簧及气、液压缸代替仿形机构，这样改善了截肢者行走时的舒适度。但是，由于步态轨迹与机构特性直接相关，使得实现的步态有限且不便于快速行走，没有从根本上改变行走时步态差异的缺陷^[1-5]。随着微电子技术、计算机控制技术及传感器技术的发展及相互融合，人们在原有踝关节假肢的基础上尝试恢复人体踝关节的主动摆动功能，制造出能够实现任意步态的踝关节假肢。这种假肢一般由电机作为驱动装置，通过控制算法实现假肢的运动。根据驱动原理和控制方式，这种踝关节假肢可以称之为主动式踝关节假肢。这种主动式踝关节假肢在保留传统踝关节假肢阻抗特性的基础上，不仅满足了人体踝关节的运动机制，而且能够产生驱动人体前行的能量^[6-10]。目前，国内外的一些研究机构已经开展了相关的研究并取得了一些进展，但由于对假肢机构设计和控制方法的研究有待深入，现在的主动式踝关节假肢还不能实现与健肢侧步态的匹配，并且某些国外公司的产品价格昂贵，使绝大多数国内患者无法承担^[11-13]。

基于市场对更加智能、自然舒适的踝关节假肢的需求和现有技术的研究现状，本课题将现代先进的微电子技术、计算机控制技术、机械设计与制造技术、新材料技术以及康复医学工程等学科交叉融合在一起，研究能与健肢侧协调运动的、步速可在更大范围内随意变化、步态更加自然的智能假肢踝关节，使截肢者能以极为接近正常人的自然步态行走^[14-15]。该研究对帮助假肢患者重新回归社会主流、像正常人一样生活、学习和工作，对减轻社会负担并对促进中国康复医学工程技术的发展无疑都具有极其重要的意义。

材料方法

讨论

总结与展望

在过去的几十年中，智能假肢技术取得了长足的发展，但大多数的智能假肢只是考虑了膝关节的作用，踝关节假肢只是作为膝关节假肢的辅助工具完成基本的代步功能，无法实现人体踝关节的自然步态^[25-28]。

实验在分析国内外关于假肢踝关节及智能化的研究基础上，采用了阻尼可变的踝足假肢，认真分析了假肢踝关节的传感器信息，并从中提取有用的控制信息。围绕假肢踝关节的控制方法问题，深入研究了基于有限状态机的控制方法，实现了对假肢踝关节的智能控制，明显改善了截肢患者的行走步态，这对推动中国残障人保健事业，减轻社会负担、促进中国康复医学工程技术的发展都具有重要的意义。

智能假肢踝关节的研究虽然取得了一些进展，但尚处在起步阶段，仍有大量的工作有待进一步深入研究^[29-31]。由于时间原因和客观条件的限制，整个控制系统的研究还不完善，原型机还需大量的临床试验，距离实际应用还有一定的差距。

基金资助：国家科技支撑计划(2009BAI71B04):仿生大腿假肢的研发。
作者贡献：第一作者进行实验设计，第二作者进行实施，第一作者进行实验评估，资料收集为第二、三、四作者，第一作者成文、审校并对文章负责。
利益冲突：课题未涉及任何厂家及相关雇主或其他经济组织直接或间接的经济或利益的赞助。
伦理要求：受试者对实验过程完全知情同意，在充分了解本治疗方案的前提下签署“知情同意书”，实验符合医学伦理委员会批准。
作者声明：文章为原创作品，数据准确，内容不涉及泄密，无一稿两投，无抄袭，无内容剽窃，无作者署名争议，无与他人课题以及专利技术的争执，内容真实，文责自负。

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