基于动力膝关节假体的仿生控制器获得自然的坐-立运动

摘要

从坐姿的位置站起来是人们日常生活中的常见活动。然而，对于装有传统被动假体的经帧性（即，膝关节），静止式（STS）过渡是高度挑战的，因为假体接头在产生扭矩和功率输出时的无法无法解情况。在本文中，作者提出了一种新的STS控制方法，用于动力下肢假体，能够调节假体膝关节的动力输送，以获得类似于由健康受试者显示的天然STS运动。模仿STS中膝关节的动态行为，通过将阻抗函数与基于时间的斜面功能组合来提供所需的控制动作。前者在上升阶段提供所需的逐渐能量释放行为，而后者提供了在加载阶段期望的逐渐的能量注射行为。这种简单且直观的控制结构可实现两相之间的过渡，消除了对显式相变，并促进动力假体的实现。人体测试结果表明，这种新的控制方法能够产生自然的竖立运动，这与STS过程中的用户的健康侧运动很好。

1.介绍

从坐姿站起来是人们日常生活中常见而又充满活力的任务。由于身体重心的垂直上升，坐到站(STS)过渡需要膝盖的高扭矩，远远超过行走时的关节扭矩。各种生物力学研究报告称，STS中的膝关节峰值扭矩高达2.2 Nm/kg(例如，[1])，而自然行走时的典型峰值扭矩仅为0.615 Nm/kg [2(双方体重均归一化)。因此，STS过渡对下肢运动障碍患者的活动构成了主要障碍，包括经股(TF)截肢者(即膝盖以上截肢者)。一项相关研究表明，与未截肢的健康个体相比，TF截肢者在坐立运动中地面反作用力和膝关节力矩的不对称程度要高得多[3.］．根据本研究结果，健康人的地面反力和膝力矩产生的不对称性小于7%，而截肢者的地面反力不对称性为53~69%，膝力矩不对称性为110~124%。注意，尽管本研究中使用了动力TF假体(动力膝关节)，但它在STS中产生了阻力，因此产生了与研究中无源装置(C-Leg和Mauch SNS)相似的结果。现有的假肢无法产生足够的膝关节扭矩和调节STS中的扭矩传递，严重影响了大量TF截肢者在日常生活中的灵活性。

由于传统的无源TF假体在性能上的显著缺陷，研究人员花费了大量的精力来开发动力装置。该领域的开创性工作是由Flowers和Mann进行的，他们使用液压驱动器来驱动膝关节[4］．然而，液压的多个缺点，如泄漏和缺乏紧凑的供应，使其不太有吸引力的假肢应用。目前，大多数动力经股假体由电动马达驱动[5- - - - - -10，例如，Sup等人开发了一种动力膝关节和踝关节假体，该假体的两个关节均由直流电机滚珠螺钉组件供电[8];Martinez-Villalpando和Herr开发了一种动力膝关节假体，该假体具有两个串联弹性驱动器，以激动剂-拮抗剂的方式平行放置[9];Hoover等人开发了一种肌电经股假体，其中动力膝关节由基于肌电图的运动控制器控制[10］．此外，Ossur，一家领先的骨科公司，制造了上述Power Knee，第一个商业化的动力经股假体。根据现有的技术信息，动力膝关节也是由电机驱动的。除了这些马达驱动的装置，包括作者小组在内的研究人员也开发了气动驱动的假肢，例如，气动气缸驱动的原型[11]及肌肉执行器[12］．

上述动力假肢能够主动产生关节扭矩和动力，用于STS转换等具有动态挑战性的任务。然而，要充分利用这种能力，需要一个有效可靠的控制器来调节运动中的联合功率输送。目前，一种用于动力假肢的步行控制器已经建立。典型的方法包括回声控制，它控制假体关节以半周期延迟跟踪记录的声音侧运动[13]，以及有限状态阻抗控制，该控制在步态周期的每个阶段都实现人工阻抗[11］．肌电图也尝试了获取用户的运动意图并生成相应的运动命令[14］．然而，对STS控制的调查却少得多。范德比尔特大学智能机电一体化中心开发了一种多模态控制器，用于动力膝关节和踝关节假肢，其中STS作为坐姿和站立状态之间的过渡运动[15，16］．然而，没有提供关于控制器结构的基本原理或控制参数的确定的细节。

在本文的研究中，作者开发了一种新的控制方法来调节STS过程中的功率和扭矩传递。作为该方法的基础，对STS中膝关节的生物力学行为进行了分析，为提出的控制器结构提供了灵感。随后，利用STS运动已有的生物力学数据，进行曲线拟合以评估新的控制器结构的有效性。这种新方法在作者实验室开发的动力膝关节假体中实施，产生定性和定量的结果来评估其有效性。

2.膝关节生物力学行为启发STS控制器

STS中的生物力学是一个经过大量研究的课题，有大量的研究数据生成。理想情况下，STS控制器应该在这个过程中复制膝关节的生物力学行为，为假体用户提供自然的控制体验。然而，完全复制生物膝关节的动力学和运动学轨迹是不可能的。人体运动是一个高度交互的过程，人体下肢与人体其他部位和环境相互作用，获得协调的运动。在假体膝关节中强制运动/运动学轨迹排除了这种交互，导致假体用户的体验很差。生物力学数据的结果，另一方面，提供了对膝关节动态行为的洞察，因此可以用作假体控制器的灵感。

与行走等循环运动模式不同，STS是一种典型的过渡运动，开始(坐位)和结束(站立位)都有明确的定义。典型的关节位置和扭矩轨迹如图所示1(数据来自1])。整个过程可以分为两个具有明显动态特性的阶段，以坐离瞬间(SO)为间隔:(1）加载相（从开始到SO）：通过从座椅偏移到下肢的体重，膝关节扭矩迅速增加以支撑体重并启动向上运动。在该阶段，膝盖位置几乎保持恒定，直到相位的最终部分，并且在初始休眠期后，扭矩以几乎恒定的速率增加。（2）上升阶段(从SO到end):达到最大值后，膝关节扭矩随着关节的伸展而减小，达到站立位后稳定在一个稳态值。

STS运动的这种分割在图中可以清楚地看到1．为了让动力膝关节假体在这个过程中产生自然运动，控制器应该遵循同样的策略，产生与生物关节扭矩轨迹相似的变化方式的膝关节扭矩。为了便于在动力假肢中实施，STS控制器结构应充分简化，同时保留人体生物控制的本质。此外，考虑到假肢使用者之间存在显著的学科间差异，在安装动力假肢时，学科特定的调谐是必不可少的一步。理想情况下，控制参数的数量应尽可能少，所有参数都应具有明确定义的物理意义，使整定过程直观易懂。基于以上多重要求，作者提出了一种控制结构，该结构由一个基于时间的斜坡函数，用于膝关节逐渐加载，结合一个阻抗函数，用于根据运动进程自动调整膝关节扭矩:

在这个方程中，阻抗函数被定义为 在哪里θ为关节位置(从膝直位置测量)，为关节角速度，K为虚弹簧的刚度，θ_E.虚弹簧的平衡点，和B为虚拟阻尼器的阻尼值。快速启动功能被定义为 在哪里T.为当前时间点，T.₀是加急期的起始时间点，和T是斜坡周期的长度。

作为控制器的主要部分的阻抗函数模拟机械弹簧的动态与粘性阻尼器相结合。机械弹簧是充满活力的保守，而粘性阻尼器是耗散的。这样，模拟的弹簧阻尼组合纯粹是被动的，保证了控制过程中的稳定性。另一方面，被动性地决定了在STS运动的发生时将引入所有所需的人造机械能（以人造弹簧偏转的形式引入，使得可以在抬起用户的同时提供足够的电力输出向上运动。因此，弹簧阻尼组合的扭矩输出立即达到运动开始的最大值，而与生物力学数据中所示的逐渐增加相反。

然后引入基于时间的爬升函数来解决这个问题。(3.，则函数值在升压周期内从0线性增加到1，之后保持在1。因此，它只在加速阶段起作用，提供加载阶段所需的逐步能量注入。值得一提的是，由于有效周期有限，使用爬升函数消除了从加载到上升的显式相变的需要，大大简化了控制器的实现。注意，也可以使用其他函数在加载阶段产生渐进加载效果。例如，一个s形函数( )也单调地从0增加到1，另外的好处是它有一个连续的导数。然而，在实时实现中，这样的函数通常会比ramp-up函数带来更高的计算负载。此外，过渡函数还有一个可调参数T这有一个明确定义的物理意义(加速期的持续时间)。因此，当使用过渡函数时，更容易调整加载速度以适应每个用户。

验证由(1），（2)和(3.)，根据75公斤受试者在STS中膝关节位置/速度和扭矩的生物力学数据进行曲线拟合[1］．利用Matlab曲线拟合工具箱，得到最优值集K，θ_E.，B,T用最小的生物力学数据误差。数字2显示了拟合的膝关节扭矩曲线与从生物力学数据绘制的膝关节扭矩轨迹的比较。两条曲线的紧密匹配表明，所提出的控制器结构能够以很小的误差复制生物膝关节在STS运动中的动态行为。

最后，为了启动控制动作，假体中的轴向载荷结合膝关节角度作为用户准备STS动作的指示器。当使用者准备站起来时，他/她首先将膝盖弯曲一个大角度(通常大于90°)，这样脚就可以直接位于身体重心的下方。随后，重量逐渐转移到足部，增加了假体所承受的轴向载荷。基于此生物力学过程，将触发条件设为假体轴向载荷大于某一阈值F_T，且假体膝关节角度也大于一定阈值θ_T．这种简单而有效的触发条件可以通过使用假体中的嵌入式传感器轻松实现，并提供了一种直观而可靠的方式来启动STS运动。如果没有轴向载荷信息，上半身的倾斜度也可以作为触发条件，因为用户在试图站起来时通常会明显前倾。或者，直接的人工输入(例如，通过语音命令或开关)也可以用于这一目的。

3.人类的测试结果

为了证明STS控制器的有效性，作者在阿拉巴马大学以人为中心的生物机器人实验室(HUB-Robotics)进行了一组人体实验。参与测试的人体受试者是一名22岁的男性，单侧截肢，身高178厘米，体重57公斤。他安装了hub机器人实验室开发的动力膝关节假体原型，即阿拉巴马动力假肢假肢(app - k)，如图所示3.．

本研究使用的动力膝关节假体app - k - e1由额定功率70w的8极无刷直流电机供电(EC 45平，Maxon motor, Sachseln, Switzerland)。对于短期运行，该电机可以产生0.2 Nm的峰值扭矩和10,000 rpm的最大转速。采用150:1传动比两级传动，结合正时带传动为一级，谐波传动齿轮头为二级。需要注意的是，在该装置的设计中，减轻重量和简化系统结构优先于产生更高的扭矩输出，驱动扭矩小于生物力学数据中的峰值。然而，这个问题并不影响假体在STS中的性能，如下面的实验结果所示。

为了实现STS控制器，假肢配备了各种控制组件，用于计算、传感和调节功率传递。利用旋转磁编码器测量关节位置，对位置信号进行数字微分，得到关节角速度信息。范德比尔特大学智能机电一体化中心开发的自定义测压元件[17]安装在假体和标准锥体连接器之间，以测量假体的轴向力。直流电机的功率输出由PWM伺服驱动器(AZBDC20A8, Advanced Motion Controls, Camarillo, CA, USA)调节，该驱动器控制电机电流作为PWM占空比的函数。控制器由微控制器(Microstick II, Microchip Technology Inc.， Chandler, AZ, USA)实现，该微控制器与主机桌面计算机通信，以记录和显示实验结果，用于控制器调整和数据分析。

由于现有设备的限制，在测试中收集的数据都是基于植入假体的传感器，主要是关节角度和扭矩轨迹。装上动力假肢后，受试者通过反馈和记录实验数据，重复STS运动以确定最佳的控制参数。控制器中人工弹簧的刚度K逐渐增加，提供了增加的延伸扭矩，以帮助用户站起来。最终值，用户最​​舒适地产生25nm的峰值扭矩，远小于生物力学数据中的峰值扭矩。可能是主要原因是，该主题用于他的日常使用被动假体缺乏电源，因此在健康的生物关节中，他的假肢关节中的舒适电源水平显着降低．在某种程度上，这种观察验证了假体设计中优先考虑低重量的原始决定。

对人工粘滞阻尼器的阻尼也进行了调整。由于具有控制站立速度的功能，阻尼器降低了伸直力矩，甚至在膝关节伸直过快时产生弯曲力矩。阻尼值也主要根据测试对象的反馈进行调整。最终控制器参数如表所示1．

实验测量的假体关节位置和扭矩的典型轨迹如图所示4， STS过程的一系列快照如图所示5．当触发条件满足时，数据窗口开始。如图所示4，关节位置几乎保持不变，直到上升阶段开始，整个轨迹在整个过程中表现出平稳和受控的运动。与图中生物力学数据进行对比1，实验测得的假体位置轨迹轮廓高度相似。对于关节扭矩轨迹，加载和上升阶段的动力学可以清晰地识别和区分，而在周期中间的平坦峰值是扭矩饱和的结果(即达到假肢执行器所规定的最大扭矩)。整体轮廓也与图中的生物力学曲线相似1．与这些数据相匹配的是，受试者还陈述了一种自然的控制体验，在这种体验中，假体的运动与声音侧腿的运动很好地协调，假体的拉伸扭矩使他能够以更少的努力站起来。这些定量和定性结果充分证明了所提出的控制器的有效性，为假肢用户提供了比传统被动假肢明显改善的体验。

4.结论

在本文中，作者在STS运动中提出了一种新的控制方法，用于动力膝关节假体。目的是开发一个STS控制器，该控制器调节动力膝关节假体中的延伸扭矩，以获得平稳的竖立运动。作为控制器开发的基础，分析了来自先前STS研究的生物力学数据。装载和上升阶段的动态差异很大。然而，创建了一种独特的控制结构，其将阻抗函数与基于时间的斜面功能相结合。引入阻抗功能以提供上升阶段的逐渐释放，而包括斜坡功能以模仿加载阶段中的逐渐的能量注射行为。这种统一控制结构的使用简化了控制器实现，同时保持每个运动阶段的独特生物力学特性。这个新的STS控制器在作者实验室开发的动力膝关节假体上实施，人类测试结果证明了这种方法在根据用户的意愿产生平稳的竖立运动方面的有效性。

的利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

参考文献

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