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1、毕业设计说明书 系(专业)： 自动化专业 题 目： 智能下肢假肢膝踝协调控制方法研究 毕业设计（论文）中文摘要智能下肢假肢膝踝协调控制方法研究摘要：近年来智能假肢的发展如火如荼，但是真正能够实现膝踝协调控制的智能假肢可以说是少之又少。本课题研究的膝踝协调控制系统利用三个霍尔元件识别步态，再通过专家控制的方法对系统进行控制，改善了系统的控制效果。本课题首先对该项技术的国外发展现状进行了研究。之后，完成了控制系统的硬件电路设计与分析。在此基础上，设计方案测定了膝、踝协调针阀开度曲线，并形成了专家控制知识库。最后，运用专家控制的控制策略设计了系统软件部分，改善了膝踝协调控制系统的控制效果。关键词：
2、膝踝协调 针阀开度曲线 MFC 专家控制 / 毕业设计（论文）外文摘要Title The Research of Coordinated Control of Knee And Anklefor Intelligent ProsthesisAbstractAlthough intelligent prosthesis growing vigorously in recent years, the products which can achieve coordinated control of knee and ankle are numbered. In this research, thr
3、ee hall elements are used to identify the gait for the coordinated control system of knee and ankle. Expert control method is used for this system which improves the control effect. First of all,the domestic and foreign development present situation is studied. Then, the design and analysis of hardw
4、are circuit has been completed .On this basis, the curve of needles value is tested and knowledge base of expert control is formed. Finally，the software is designed based on the control strategy of expert control which improved the control effect of this system.Keywords：knee and ankle coordination n
5、eedle valve curve MFC expert control目 录1 引言111 选题的目的和意义112 智能假肢国外发展现状113 课题研究容22 膝踝协调控制器的硬件设计321 控制芯片MSP430简介322 硬件电路分析与设计423 小结83 膝、踝关节针阀开度曲线的测定831 测试方案设计832 MFC测试程序设计933 小结124 膝踝协调控制算法设计1241 控制策略的选择1242 控制系统软件设计1443 小结17结 论18参 考 文 献19致 21附录A部分软件程序22图1 膝踝协调控制器原理图281 引言11 选题的目的和意义假肢是为了恢复人体的形态和功能，补偿截
6、肢造成的缺损而制作和装配的人工肢体。为了提高残疾人特别是肢体残疾者的生活水平，假肢的研究显得尤为重要。其中下肢截肢者丧失了最基本的行走能力，安装假肢是补偿其运动功能的最佳途径。智能假肢的出现对于帮助残疾人回归到正常生活、学习和工作中，对于减轻社会负担无疑都具有重要的意义。12 智能假肢国外发展状况1.2.1国外发展状况在很早的时候，各国都产生过木头制成的假肢。但从真正意义上现代的假肢来说，国外假肢技术发展的较早。早在19世纪60年代，欧洲人就发明了首个人工假肢。到了20世纪初期，由于世界大战的爆发欧美国家都开始研究假肢，但是这时其发展主要是为了那些肢体伤残的军人。战争结束以后，假肢行业得到了很
7、大发展，西方发达国家纷纷成立了假肢研究所，掀起了假肢技术发展的小高潮。这一时期的假肢均为纯机械式假肢，通过弹簧、液压缸、气压缸提供阻尼，根据残疾人的日常行走习惯再通过手动调节阻尼。这种假肢步态不协调，路况适应能力差，不具有步速跟随功能。随着各国的研究发展，到了九十年代左右，出现了智能假肢。1986 年来自日本的中川昭夫首先提出用微处理器来控制膝关节针阀，从而改变膝关节阻尼实现步速调整的构想，这种膝关节假肢被称为智能假肢。1990 年，世界上第一个智能下肢假肢由英国布莱切福特公司研制成功，它具有全新承重自锁的功能，可实现平滑开锁和大角度锁定，可实现支撑期锁定和向摆动期平稳过渡。20世纪后，智能下
8、肢假肢技术出现突破性进展，仿生智能假肢产品已经推向市场。2006 年德国 Otto Bock公司发明了世界上首例应用“人工智能”科学的仿生智能假肢C-Leg 智能仿生腿，智能假肢技术达到了一个新的高度。1.2.2国发展状况我国的假肢起步较晚，根据清华大学王人成教授我国假肢技术的研究与进展所述，1945年在家口建立了新中国第一个假肢厂。同国外类似，这个假肢厂主要是为了战时的伤残军人生产假肢。20世纪50年代末，我国又在很多地方都修建了假肢厂，服务对象由面向革命伤残军人转为面向全社会的肢残人士。1979年，民政部组织、江、山东、四川、湖北6 个假肢厂联合研制骨骼式大腿假肢，这时的研究仅仅由工厂完成
9、，所以关键技术一直没能够突破，仅仅是仿制了当时德国的假肢技术。到了20世纪90年代，清华大学等科研机构正式加入了假肢的研究与生产当中，这才揭开了国现代化假肢的序幕。如今，中国科学院、清华大学、交通大学、河北工业大学、工业大学等高校以与科研院所都加入了假肢技术的研究行列，并为我国智能假肢技术的发展做出了一定的贡献。1.2.3发展形势总述尽管智能假肢已经取得长足发展，但以往智能假肢大多只考虑膝关节的调节作用，几乎没有一款假肢能够实现膝关节和踝关节的协调运动，因此都存在步态不协调、假肢容易损坏和穿戴者能耗大的问题。美国德堡大学研制了历史上第一个智能膝踝协调假肢，该假肢属于主动式假肢，膝关节和踝关节上
10、均装有动力装置，表面上集成的传感器阵列可以随时感知使用者的活动情况，并将信息传递给微处理器做出相应的动作。与普通智能假肢相比而言，由于是膝关节和踝关节协调运动，保证了良好的步态跟随特性，使得残疾人的步态趋于自然。13 课题研究容 本设计根据正常人与残疾人行走规律进行了膝踝协调控制器的硬件设计以与膝踝协调控制算法的研究。具体研究容包括：1.熟悉MSP430单片机接口功能。2.利用MSP430单片机进行膝踝协调控制器设计，分析正常人与残疾人行走规律进行膝踝协调控制算法研究。3.选择合适的传感器判断残肢侧行走速度，对智能下肢假肢进行运动控制。本设计在第一章做了对选题意义和智能假肢国外发展现状的一个概
11、括。第二章 主要完成了膝踝协调控制系统硬件电路的设计，包括复位电路、电源电路、步进电机与其驱动模块、霍尔电路模块以与串口通信模块。第三章 主要是进行了膝、踝关节针阀开度曲线的测定，主要是用MFC编写了上位机程序。第四章 主要进行了控制系统软件方面的设计，控制策略选用的是专家控制方法。2 膝踝协调控制器的硬件设计21 控制芯片MSP430简介整个智能假肢膝踝协调控制系统仅仅由一块锂电池供电，因而主控制器的选型必须严格遵守低功耗的要求.要求主控制器芯片能提供丰富外设、足够多的接口，能同时满足数据采集、控制、通信等功能。同时要求主控器具备比较强的运算能力，满足系统对大量数据实时处理的要求。MSP43
12、0单片机具有以下优点： 1.超低功耗 超低功耗是MSP430单片机的首要优势，其功耗相对于51单片机、PIC单片机来说要低很多。如今高性能单片机层出不穷，但MSP430单片机超低功耗这个特性，仍旧是其它单片机不可比拟的。 MSP430的超低功耗有益于延长电池寿命，使设备工作时间增加，易于开发便携式应用产品，也使供电设备简单。2.现代的结构体系 MSP430单片机是基于RISC精简指令集，即哈佛结构的单片机。不同于诺依曼体系，哈佛结构单片机程序空间与数据空间的寻址是统一的。这使得程序能够流畅运行。MSP430只包含了27条核指令，大大提高了编程的效率。 3.自带模块丰富 MSP430自带有高精度
13、、快速度的A/D转换器，这对信号的采集和处理帮助很大。还具有16位的定时器A和定时器B，位数越高，执行能力就越快。它还自带1- 2 个 USART接口，方便与外界通信。此外，还带有一个看门狗定时器，程序中使用它可以有效地防止程序跑飞。如此多的自带模块可以为系统设计提供很大的方便。4.C语言的开发环境 MSP430的开发工具为C语言。C语言的开发环境大大降低了编程人员的门槛，使得编程者容易上手。而且，C语言编写的指令可高效执行，通用性好，可以方便的移植到别的芯片上。总之，MSP具有超低功耗、编程效率高、丰富的片上外围模块和模块接口、系统时钟稳定、方便高效的C语言开发方式等优点，非常适合用作智能假
14、肢膝踝协调控制系统的控制器。22 硬件电路分析与设计本次设计主要针对大腿截肢患者的智能膝关节与智能踝关节控制器进行设计，此控制器包含5个主要模块：复位电路、电源模块、步进电机与其驱动模块、霍尔电路模块和串口通信模块。其整体的电路结构图如图1所示。升压稳压模块降压稳压模块驱动电路MSP430串口通信模块复位电路步进电机图1 整体电路结构图下面对这五个模块分别进行分析与设计。2.2.1复位电路设计设计复位电路，原因在于单片机初始上电时状态并不确定，这种不确定状态很有可能产生一些问题，甚至有可能对穿戴假肢的人构成危险。为了避免造成事故，本设计在上电初始时刻就直接让单片机处于一个确定的状态。复位电路的
15、电路图如图2所示，其中DVCC接单片机供电电压+3V。复位电路原理就是当DVCC通电时，电容有个充电过程，故此连接MSP430单片机的RESET处电压有个从无到有的跳变，使得单片机完成了复位操作。图2 复位电路2.2.2电源模块设计系统采用单个锂电池供电，其优点固然是可减小系统的体积，但由于电机驱动模块需要5V电压供电，MSP430单片机需要3V电压供电，而锂电池提供的有效工作电压围是3.5V-4.2V（实验显示，当锂电池电压降到3.5V时，电池电量只剩下5%，已经不能为系统提供稳定电压了），因此需要将锂电池的电压转换为各个模块所需要的电压。系统选用TPS77001 稳压芯片将锂电池电压降低为3V，采用该芯片的典型应用电路，如图3。其输出电压，其中Vr=1.224V，故此关键之处即为确定R10与R11之比。此处让R10/R11约为1.43，输出电压正好为3V。有的单片机需要3.3V电压供电，则按照公式计算得R10/R11约为1.70，取R10/R11=
