[发明专利]一种膝踝关节一体化主动假肢及其控制方法

权利要求书

1.一种膝踝关节一体化主动假肢，包括膝关节、踝关节、设置在膝关节与踝关节之间的假肢支撑杆以及与所述踝关节连接的脚板，其特征在于，还包括：同轴设置的膝关节驱动源和踝关节驱动源，所述膝关节驱动源和踝关节驱动源设置在假肢支撑杆远离脚板一侧的端部，其中：

所述膝关节驱动源设置在所述膝关节的回转中心，所述膝关节驱动源带动所述膝关节相对于所述假肢支撑杆转动；

所述踝关节驱动源通过假肢连接杆与踝关节、假肢支撑杆组合构成四连杆结构，所述踝关节驱动源通过四连杆结构带动所述踝关节相对于所述假肢支撑杆转动。

2.根据权利要求1所述的膝踝关节一体化主动假肢，其特征在于：还包括支撑组件，所述膝关节驱动源和踝关节驱动源均安装在所述支撑组件上，所述支撑组件包括：

支撑壳体，具有分隔板，在所述分隔板的两侧分别设置有膝关节驱动源容置槽和踝关节驱动源容置槽；

膝关节简支梁，设置在所述支撑壳体的侧面，所述膝关节简支梁与所述支撑壳体配合构成支撑所述膝关节驱动源的膝关节简支结构；

踝关节简支梁，与所述膝关节简支梁对应设置在所述支撑壳体的另一侧面，所述踝关节简支梁与所述支撑壳体配合构成支撑所述踝关节驱动源的踝关节简支结构。

3.根据权利要求1所述的膝踝关节一体化主动假肢，其特征在于：所述膝关节驱动源和膝关节驱动源和踝关节驱动源均为电磁驱动结构，所述膝关节驱动源和踝关节驱动源均包括回转磁钢片阵列、电磁线圈、齿盘、偏心结构、驱动输出件、固定架、驱动电路板、控制电路板。

4.根据权利要求3所述的膝踝关节一体化主动假肢，其特征在于：还包括线圈供电电源和电路板供电电源，所述线圈供电电源分别为所述膝关节驱动源中和踝关节驱动源中的电磁线圈供电；所述电路板供电电源分别为所述膝关节驱动源中和踝关节驱动源中的驱动电路板供电。

5.根据权利要求4所述的膝踝关节一体化主动假肢，其特征在于：还包括中空走线结构，所述线圈供电电源和电路板供电电源与膝关节驱动源和踝关节驱动源之间的电路走线均从所述中空走线结构中穿过。

6.一种膝踝关节一体化主动假肢的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1、在脚板底部与地面接触的平面上阵列设置多组压力传感器；

步骤S2、通过多组压力传感器触发的位置和检测的数值，计算足底压力中心的位置，判断当前脚板的行走状态；

步骤S3、根据脚板的行走状态，进行运动学和动力学分析，确定当前行走状态下膝关节和踝关节转动的角度、角速度和角加速度；

步骤S4、根据角度、角速度和角加速度，计算得到下一行走状态的膝关节和踝关节的关节控制力矩，将关节控制力矩传递给驱动电路板，控制假肢行走。

7.根据权利要求6所述的膝踝关节一体化主动假肢的控制方法，其特征在于：根据实际的行走情况，将脚板的行走状态分为足跟着地、全足放平、足尖着地三个行走支撑期，在步骤S1中，根据行走支撑期将多组压力传感器分为后足、足中及前足三个区域。

8.根据权利要求7所述的膝踝关节一体化主动假肢的控制方法，其特征在于：在步骤S2中，先模拟正常行走的状态，得到正常行走时，脚板的行走状态经过足跟着地、全足放平、足尖着地的动作变换的过程中，后足、足中及前足三个区域的压力传感器触发的位置和检测的阈值，确定足底压力中心的移动轨迹，在控制过程中，通过实时检测得到的多组压力传感器触发的位置和检测的数值与模拟时得到的压力传感器触发的位置和检测的阈值比较，确定脚板的行走状态。

9.根据权利要求6所述的膝踝关节一体化主动假肢的控制方法，其特征在于：在步骤S3中，根据假肢中膝关节和踝关节的运动形态与人体行走状态的对应关系，建立运动学和动力学模型，从而得到当前行走状态下膝关节和踝关节转动的角度、角速度和角加速度。

10.根据权利要求9所述的膝踝关节一体化主动假肢的控制方法，其特征在于：在步骤S4中，根据运动学和动力学模型能够确定假肢在当前状态下到下一状态的变化过程中，膝关节和踝关节的关节力矩与角度、角速度和角加速度变量之间的关系：

M(q)q′+C(q，q″)+G(p)＝τ+τ_d

其中，q、q′和q″分别为角度、角速度、角加速度；

τ、τ_d为控制力矩和扰动力矩；

M(q)为下肢假肢惯量矩阵；

C(q)为离心力和哥式力矢量；

G(q)为重力矢量。