53、利用统一相位变量控制动力式经股骨假肢

利用统一相位变量控制动力式经股骨假肢

1 引言

预计到2050年，美国截肢和中风的发病率将增加两倍，这在很大程度上是由于血管疾病的普遍存在。与健全人相比，截肢者的步态更慢、更不稳定且效率更低。开发简单、高效且可定制的动力假肢控制方法，有助于当前和未来的截肢者更有效地行走。

目前控制动力假肢的方法将步态周期视为由离散状态组成的过程，如 heel strike（足跟触地）、load acceptance（承重期）、toe off（足趾离地）等。当前的动力假肢通过基于切换规则在有限状态之间转换来与穿戴者同步，但这种方法存在局限性，因为状态机控制策略最终会决定机器人腿的步行速度和响应，而不是由截肢者决定。

双足机器人领域的新方法为可视化步态周期带来了新思路，将步态周期视为由相位变量同步的连续周期性过程，而非离散事件序列。

2 相位变量相关概念

2.1 步态相位

描述运动过程中多关节模式同步性的关键特征是步态相位。在像步态周期这样的周期性过程中，相位是一个标量，代表多关节运动学在周期轨道上的位置。给定某一时刻的相位值，就可以确定系统在标称周期轨道上的整个配置。

2.2 相位变量定义

相位变量是一个机械信号，随时间单调变化（严格增加或减少），因此能够对有节奏的过程进行参数化。给定特定时间的相位变量，就可以确定过程的特定状态及其下一个运动。在步态周期中，相位变量可用于控制腿部关节轨迹的进展。

2.3 相位变量应用

当前的双足机器人通过使用相位变量对下肢运动学进行参数化，实现了稳定的运动。这一概念已应用于康复领域，用于控制动力假肢。这种方法使