智能下肢假肢膝踝协调控制方法研究毕业设计说明书(编辑修改稿)

智能下肢假肢膝踝协调控制方法研究毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

提供了方便，也大大提高了程序的正确性和可靠性。 基于以上的优点， MFC 在 Windows 应用程序开发中得到广泛应用。 霍尔 1 霍尔 2 霍尔 3 轨迹 磁铁 河北工业大学 2020 届本科毕业设计说明书 10 MFC 测试程序设计 运用 C++的 MFC编写上位机测试程序，其基本过程如下： MFC的可执行程序，输入文件标题，确立该工程的基本属性问题。 、基类名和文件名。 ，选择你需要的各种控件并排列，使界面整洁美观。 首先完成函数类以及成员变量的命名及初始化，其次需要建立消息映射机 制并在函数中添加相应的代码。 这样处理以后，串口调试程序就做好了，下一步进行编译运行就可以了。 编好的程序调试界面如图 10 所示。 部分程序参见附录。 图 10 MFC测试程序 在上图界面中，首先打开串口，以启用串口通信功能。 然后选择测试对象，可选膝关节还是踝关节。 然后选中显示当前值，在对话框中就会显示出快、中、慢三种情况下的针阀开度。 “发送”按钮是将设定的数据发送到控制器中，并带有保存功能，即把调整好的数据写入到 MSP430 单片机的 flash 存储区中，与此同时，发送的数据会在 对话框中显示出来，说明发送成功。 实物连接图如图 11所示，整个设备由控制器、 mini USB 连接线、调试器、 USB 转串口线组成，将每一部分连接起来，并将 USB 转串口线的 USB 端与 PC 的 USB 端连接，就可以进行测试测试了。 河北工业大学 2020 届本科毕业设计说明书 11 图 11 设备实物连接图 测试结果曲线 根据实验测得的数据，用 Matlab 画图功能分别得到膝、踝在一个步态周期内的针阀开度曲线如图 12和图 13 所示。 图 12 膝关节针阀开度曲线 河北工业大学 2020 届本科毕业设计说明书 12 图 13 踝关节针阀开度曲线 Matlab 程序（膝关节的）如下： x=[ ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 1 .6 ， ， ， ， ]。 y=[， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ]。 plot(x,y)。 hold on。 grid on。 plot(x,y,39。 b*39。 )。 hold on。 xlabel(39。 步态周期 （ s） 39。 )。 ylabel(39。 膝关节针阀直线移动距离 （ mm） 39。 )。 axis([ 2 0 ])。 hold on。 小结 本章完成了测试膝、踝协调针阀开度的上位机程序的设计与编写。 主要工作有两部分，一是 MFC的学习，二是做实验，测数据。 这部分工作的完成，对膝踝协调控制策略的选定有重要的指导意义。 4 膝踝协调控制算法设计 4． 1 控制策略的选择 河北工业大学 2020 届本科毕业设计说明书 13 专家控制方法，就是将一些常识性知识、理论性知识以及规则库集成在一 起构成知识库，然后由推理机根据当前情况匹配相应知识，由推理归规则产生策略，再执行 相应策略来实现控制的一种方法。 在正常人的歩态周期中，一般可以简单划分为支撑期和摆动期两个阶段。 支撑期是指下肢有和地面接触的整个时期，是指同一只脚的脚跟触地到脚趾离地的阶段，约占整个步行周期的 60%。 摆动期是指下肢在空中摆动的时期，就是下肢不接触地面的时期，是指同侧脚趾离地到脚跟着地的阶段，约占整个步行周期的 40%，如图 14 所示。 图 14 人体步态周期 根据对人体步态周期的分析，该膝踝协调控制系统采用了专家控 制方法。 具体方法是：从整个步态周期区选取四个关键点 摆动期、膝关节伸展时刻、脚跟着地时刻、踝关节足平时刻来实施控制。 由于不同时期三个霍尔传感器输出不同，控制器采取动作不同，但同一时期采取的动作却是相同的。 这很符合基于专家控制的方法，将每个时期判定条件与对应反应动作制作成专家信息库，随时监测随时调用，大大提高了控制效率。 其具体控制策略框图见图 15。 图 15 控制策略框图 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 河北工业大学 2020 届本科毕业设计说明书 14 步态与霍尔元件输出对应关系为：三个霍尔元件输出排列为 111，说明踝关节进入脚跟着 地时刻；若输出为 101，则为踝关节足平时刻；输出为 110，则膝关节进入摆动期；输出为 011，进入膝关节伸展时刻。 对应关系表见表 1。 表 1 步态与霍尔输出对应关系 步态输出霍尔 HALL1 HALL2 HALL3 脚跟着地时刻 1 1 1 踝关节足平时刻 1 0 1 摆动期 1 1 0 膝关节伸展时刻 0 1 1 4． 2 控制系统软件设计 此系统程序设计包括两大部分内容，即主程序设计和中断服务程序设计。 主程序设计 一般来讲，主程序的设计都较为简单，本设计也是如此。 可以用一句 话概括，那就是：在启动初期完成各种初始化工作。 完成这些任务后，就进入省电模式，直到接收到中断信号，这也是 MSP430 比其它单片机功率消耗要小很多的原因之一。 主程序流程图见图 16。 图 16 主程序流程图 中断程序设计 系统上电 初始化 进入低功耗模式 开总中断 等待中断 河北工业大学 2020 届本科毕业设计说明书 15 为什么要做上电复位程序，原因与复位电路的设计相同。 如果一上电，电机螺杆位置不在正确的地方，那假肢有可能处于不承受力的状态。 穿戴假肢的人就有可能摔倒，从而受到伤害。 上电复位程序用看门狗定时器来完成。 简述其原理就是：电机螺杆有共四个位置。 由霍尔元件输出判断电机螺杆位置。 判定电机为不同位置，都进入看门狗程序，只是从相应电机位置的控制程序开始执行并顺次执行下去。 直到最后使电机回到原点位置并锁死为止。 具体可参见下面流程图的内容，其流程图如图 17 所示。 图 17 上电复位中断程序 A 中断服务程序设计 这一中断程序可以说是整个软件系统的核心。 这个中断程序必须保证有足够高的执行频率，因此设置定时中断频率为 500Hz。 该程序原理是：先实时采集霍尔传感器信号，再根据三个霍尔元件输出的不同组合来识别步态， 同时用算法计算出步态周期，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为 4 关闭看门狗中断 是 是 是 是 否 否 否 否 河北工业大学 2020 届本科毕业设计说明书 16 便可以到步进电机的控制参数，然后调用专家控制库中的控制规则来完成对膝、踝关节针阀开度的调节。 这样，就实现了系统对假肢步速的实时调节。 该程序流程图如图18 所示。 图 18 定时器 A中断程序示意图 B 中断服务程序设计 之所以要用定时器 B来完成电机控制，原因就在于步进电机控制所使用的定时器定时器 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 河北工业大学 2020 届本科毕业设计说明书 17 不允许被其他程序嵌套，同时该程序又必须能进入其它中断程序。 换言之，该中断程序使用的定时器必须是 MSP430 中优先级最高的。 而 MSP430 中， 定时器 B满足这个条件。 故此用定时器 B中断程序来完成步进电机的控制，同时需要用定时器 A 来完成前期的步态识别以及控制电机运动方向等问题。 中断服务程序流程图见图 19。 图 19 定时器 B中断服务程序 4． 3 小结 本章内容完成了膝踝协调控制方法的软件设计，实现了对膝、踝关节的协调控制。 致此，基本上完成了课题内容的要求。 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 河北工业大学 2020 届本科毕业设计说明书 18 结 论 智能假肢的研究对于肢体残疾人员恢复正常行走能力有着很重要的作用。 膝、踝关节协调的假肢比起单一的智能膝关节和智能踝关节，能够使穿戴者的行走步态更接近于正常人，而且穿戴者不易感觉到疲劳。 课题在设计和分析了控制系统的硬件电路的基础上，设计并实施了测定膝踝关节针阀开度曲线的实验，用 MFC 编写上位机程序，将数据发送到电脑上，并利用 Matlab 画图功能分别绘出了膝、踝关节针阀开度曲线。 用三个霍尔元件识别步态，并将三个霍尔元件输出的电平、不同步态、针阀开度、电机动作联合为一体，形成了专家控制的知识库，在控制算法当中引用 专家控制知识库，从而优化了膝踝协调控制方法，使系统的控制效果更加突出。 由于时间仓促，加上知识、能力有限，还是存在很多问题。 首先实验条件不够成熟，数据可信度差。 其次，实验数据过少，数据说服力度不够，不能形成有效的控制库。 再次，硬件电路还存在一些问题。 例如某些元件容易过热等。 这些问题将在以后继续优化解决。 河北工业大学 2020 届本科毕业设计说明书 19 参 考 文 献。