膝踝协调控制器设计与调试

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）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TitleTheDesignAndDebuggingofCoordinatedControlSystemofKneeAndAnkleAbstractWiththeprogressofscienceandtechnologyandtheimprovementoflivingstandardsofthemasses,disabledpeoplewearingthetraditionalmechanicalprostheticsisslowlyfaded,high-performanceintelligentprostheticgraduallybecomethechoiceofthedisabled,hasbecomeascientificresearchworkerstothepursuitofthegoal.Thistopicmainlythroughtheanalysisofthethree-dimensionalgaitanalysissystemnormalwalkinggaitparameters,analysisofthewalkinggaitparametersofthestagesneed.Comparedtonormalandkneeprosthesisthewearer'sgaitdata,analysisofkneeprosthesisproblemsexistingintheprocessofthewearerinsports,setupunderdifferentgaitcontrolstrategy.Throughthesensorstocollectinformation,usingMSP430singlechipmicrocomputeranalysisdata,andthensignalcontrol,controltheprostheticwithdifferentroadconditionsandthepaceofchangepropergait.Toprovideintelligentkneeprosthesisdesignideaandbasis.Keywords：kneeandanklecoordinationMSP430intelligentprosthesissensorgait河北工业大学城市学院2015届本科毕业设计说明书目次1引言....................................................................................................................................11．1选题的目的和意义...............................................................................................11．2国内外发展状况...................................................................................................21．3课题研究内容.......................................................................................................32膝踝协调硬件设计............................................................................................................32．1控制芯片MSP430介绍.........................................................................................32．2硬件电路设计.......................................................................................................42．3小结.....................................................................................................................113膝踝关节针阀开度曲线测定..........................................................................................113．1测试方案设计.....................................................................................................113．2MFC测试程序开发..............................................................................................123．3小结.....................................................................................................................154膝踝协调控制算法设计..................................................................................................154．1控制策略研究.....................................................................................................154．2控制系统软件设计.............................................................................................164．3小结.....................................................................................................................20结论..................................................................................................................................21参考文献........................................................................................................................22致谢..................................................................................................................................24河北工业大学城市学院2015届本科毕业设计说明书11引言1．1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(PassiveTransfemoralProsthesis)、半主动型膝上假肢(Semi-ActiveControlledTransfemoralProsthesis)、动力驱动型膝上假肢(ActiveTransfemoralPros-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河北工业大学城市学院2015届本科毕业设计说明书2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。1．2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WoodieFlowers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Woodi