时滞反馈储备池启发的步态协同映射建模与下肢假肢FPGA控制实现

摘要

步态轨迹规划是动力下肢假肢运动控制的重要环节.为实现假肢-健肢运动的协同，现有步态轨迹规划一般采用数据驱动建模方法，将假肢穿戴者的健肢侧运动直接映射为假肢目标运动轨迹.考虑到现有建模方法复杂度高、抗扰能力差的不足，本文提出了时滞储备池驱动的步态轨迹规划新方法.该方法以Mackey-Glass振子为储备池非线性节点，以截肢端髋关节摆动角度为输入，最终输出假肢膝关节目标运动轨迹.特别地，该储备池的输出是其虚拟节点状态量的线性叠加，因此在模型训练和计算上具有全局收敛性高、收敛速度快的优势.进一步，本文在FPGA上实现了时滞储备池步态映射模型的硬件部署，并通过与STM32的串行通信完成了数据交互，开展了动力下肢假肢的穿戴测试.实验结果表明，采用本文提出的新模型，假肢穿戴者在正常行走情况下健肢与假肢之间的相关系数为0.8377,扰动情况下为0.7436,均表现出较强的相关性.关节电机角度的跃度也反映了模型对于扰动的鲁棒性，假肢侧的平均跃度为47 979 deg/s³,比健肢侧降低了约31%,表明时滞反馈储备池驱动的步态协同映射方法具有显著的抗扰动能力.本文提出的时滞反馈储备池提高了假肢控制的精度，增强了下肢假肢在不同行走场景下的适应性.

关键词

时滞反馈储备池 / 数据驱动建模 / 动力下肢假肢 / 步态协同 / 步态控制

基金资助

国家自然科学基金资助项目(12372065,12372022)