CN104027191B - 一种膝上假肢的路况识别系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种膝上假肢的路况识别系统，该系统包括假肢膝关节、假肢小腿管和假脚，其特征在于该系统还包括脚跟光电传感器模块、脚尖光电传感器模块、陀螺仪模块、单片机模块和驱动电机模块。与现有技术相比，本发明路况识别系统在已有动力型假肢技术的基础上，通过在假肢小腿管上安装陀螺仪模块、在假脚脚尖和脚跟安装光电传感器模块，建立了路况信息采集模块，克服了现有技术缺乏及时的路况识别方法的缺陷。通过单片机处理检测到的各传感器信息，及时准确地识别平地/上坡/下坡/上楼/下楼/障碍物六种路况,并根据不同路况控制患者假肢，使其轻松地完成上楼梯、爬斜坡、跨越障碍等日常活动。
Description
技术领域
本发明涉及人体下肢假肢技术，具体为一种膝上假肢的路况识别系统，可以对平地/上坡/下坡/上楼梯/下楼梯/障碍物六种不同路况进行识别，进而对膝关节假肢进行相应的控制，在减轻了残疾人负担的同时，使残疾人在行走过程中更加安全。
背景技术
下肢截肢者，尤其是膝上截肢者，安装假肢是残疾人恢复日常生活的唯一途径。目前进入市场的假肢类型，从开始的“被动式”假肢，例如简单的机械装置、连杆机构(多为四连杆机构)、气压或液压装置以及计算机智能化控制装置，到后来发明的增加了动力装置的“主动式”假肢，例如中国专利ZL200910068093.0中介绍的一种“主动式人腿假肢”，它可用驱动电机为假肢膝关节提供驱动力。假肢技术不断由低级到高级、由简单到复杂发展，逐渐能够满足截肢者的需求，尤其是“主动式”假肢，能够为穿戴者在上下楼梯、爬斜坡等运动过程中提供“被动式”假肢无法提供的有效动力。但是这些技术的重点都在对假肢膝关节的机构设计与控制，旨在减轻残疾人行走过程中的疲劳感，然而对楼梯、斜坡等外界路况信息的检测技术却鲜有提及。中国专利申请ZL201210417780.0中介绍的“一种动力型假肢膝关节”，在大腿残肢接受腔上安装陀螺仪和加速度传感器，在脚底安装足底压力传感器，通过对各传感器信息的综合分析，控制假肢膝关节运动，虽然从硬件上可以对下肢不同行走模式进行识别，但是并未提及具体的路况识别方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出：一种膝上假肢的路况识别系统。该系统主要用于膝上假肢，能够识别人体行走过程中常见的六种路况，为驱动“主动式”假肢提供控制信号，从而帮助残疾人解决上楼梯、爬斜坡等路况遇到的问题。
本发明解决所述路况识别问题的技术方案为：设计一种膝上假肢的路况识别系统。该路况识别系统包括假肢膝关节、假肢小腿管和假脚，其特征在于该路况识别系统还包括脚跟光电传感器模块、脚尖光电传感器模块、陀螺仪模块、单片机模块和驱动电机模块；所述脚跟光电传感器模块包括脚跟光电传感器及脚跟放大滤波电路，脚尖光电传感器模块包括脚尖光电传感器及脚尖放大滤波电路，脚跟光电传感器模块和脚尖光电传感器模块分别安装在假脚的脚跟和脚尖，用于检测假肢行走过程中路况信息；所述陀螺仪模块包括陀螺仪及陀螺仪放大滤波电路，安装在假肢小腿管的正前方，位于假肢膝关节和假脚中间，用于检测假肢小腿管在运动过程中前后摆动的角速度特征；所述驱动电机模块包括直流电机及其正反转控制电路，安装在假肢膝关节与假肢小腿管之间的上部位置；所述单片机模块由单片机芯片、最小系统基本电路、模拟量输入接口电路、开关量输出接口电路组成，安装在假肢膝关节与假肢小腿管之间的驱动电机模块下方的位置，陀螺仪模块的上方；
所述脚跟光电传感器与脚跟放大滤波电路电连接，脚尖光电传感器与脚尖放大滤波电路电连接，陀螺仪与陀螺仪放大滤波电路电连接；脚跟光电传感器模块、脚尖光电传感器模块、陀螺仪模块均分别通过各自的放大滤波电路与单片机模块的模拟量输入接口电路电连接；所述单片机模块的最小系统基本电路、模拟量输入接口电路分别连接在单片机芯片的一侧，开关量输出接口电路连接在单片机芯片的另一侧；所述驱动电机模块的正反转控制电路与单片机模块的开关量输出接口电路相连接，直流电机一端与正反转控制电路电连接，直流电机另一端与假肢膝关节相连。
与现有技术相比，本发明的一种膝上假肢的路况识别系统在已有动力型假肢技术的基础上，通过在假肢小腿管上安装陀螺仪模块，在假脚脚尖和脚跟安装光电传感器模块建立了路况信息采集模块，克服了现有技术缺乏及时的路况识别方法的缺陷。通过单片机处理检测到的各种传感器信息，及时准确地识别平地/上坡/下坡/上楼/下楼/障碍物六种路况,根据不同路况控制驱动电机，为假肢穿戴者提供动力，使其轻松地完成上楼梯、爬斜坡、跨越障碍等日常活动，提高其生活质量，使其更好地融入社会，进行正常的生活。
附图说明
图1为本发明膝上假肢的路况识别系统一种实施例的硬件部分安装示意图；
图2为本发明膝上假肢的路况识别系统一种实施例的硬件部分工作原理流程图；
图3为本发明膝上假肢的路况识别系统一种实施例的陀螺仪模块一个步态周期信号的趋势图；
图4为本发明膝上假肢的路况识别系统一种实施例的路况识别流程图。
具体实施方法
下面结合实施例及其附图对本发明进一步说明，但本发明不限于本实施例。
本发明设计的膝上假肢的路况识别系统(简称路况识别系统，参见图1-4)，该路况识别系统包括假肢膝关节6、假肢小腿管7和假脚8，其特征在于本系统还包括脚跟光电传感器模块1(简称模块1)、脚尖光电传感器模块2(简称模块2)、陀螺仪模块3(简称模块3)、单片机模块4(简称模块4)和驱动电机模块5(简称模块5)；所述脚跟光电传感器模块1包括脚跟光电传感器11及脚跟放大滤波电路12，脚尖光电传感器模块2包括脚尖光电传感器21及脚尖放大滤波电路22，脚跟光电传感器模块1和脚尖光电传感器模块2分别安装在假脚8的脚跟和脚尖，用于检测假肢行走过程中路况信息；所述陀螺仪模块3包括陀螺仪31及陀螺仪放大滤波电路32，安装在假肢小腿管7的正前方，位于假肢膝关节6和假脚8中间，用于检测假肢小腿管7在运动过程中前后摆动的角速度特征；所述驱动电机模块5包括直流电机51及其正反转控制电路52，安装在假肢膝关节6与假肢小腿管7之间的上部位置；所述单片机模块4由单片机芯片41、最小系统基本电路42、模拟量输入接口电路43、开关量输出接口电路44组成，安装在假肢膝关节6与假肢小腿管7之间的所述驱动电机模块5下方的位置，陀螺仪模块3的上方；
所述脚跟光电传感器11与脚跟放大滤波电路12电连接，脚尖光电传感器21与脚尖放大滤波电路22电连接，陀螺仪31与陀螺仪放大滤波电路32电连接；脚跟光电传感器模块1、脚尖光电传感器模块2、陀螺仪模块3均分别通过各自的放大滤波电路与单片机模块4的模拟量输入接口电路43电连接；所述单片机模块4的最小系统基本电路42、模拟量输入接口电路43分别连接在单片机芯片41的一侧，开关量输出接口电路44连接在单片机芯片41的另一侧；所述驱动电机模块5的正反转控制电路52与单片机模块4的开关量输出接口电路44相连接，直流电机51一端与正反转控制电路52电连接，直流电机51另一端与假肢膝关节6相连。
本发明路况识别系统的工作原理与工作过程：
1).角速度信号特殊点的选取
将陀螺仪模块3采集到的信号经模拟量输入接口43输入到所述单片机模块4，经过单片机模块4处理后，得到假肢小腿管7运动过程中前后摆动的角速度信号。陀螺仪模块3检测得到一个步态周期的信号(参见图3)，确定一个步态周期中角速度信号的三个特殊点作为脚跟光电传感器模块1和脚尖光电传感器模块2判别路况的依据，三个特殊点依次为：周期信号的起点①、周期信号第一个波形向第二个波形过渡的极小值点②、周期信号的第二个波峰的峰值点③。
2).六种路况具体识别过程(参见图4)
(1)当陀螺仪模块3检测到的信号在特殊点①时，判断脚尖光电传感器模块2是否检测到异物或遮挡。若脚尖光电传感器模块2检测到有异物或遮挡，则可能是障碍物/上坡/上楼梯三种路况(简称模式1)，控制假肢膝关节6抬高腿；若脚尖光电传感器模块2没有检测到异物或遮挡，则可能是平地/下坡/下楼梯(简称模式2)三种路况。由此，在特殊点①可以把当前路况分为模式1和模式2两大类。
(2)当陀螺仪模块3检测到信号到达特殊点②时，对模式1的三种路况进行判断，若脚跟光电传感器模块2检测到假脚8后方存在异物或遮挡，则路况为障碍物；若脚跟光电传感器模块2没有检测到假脚8后方存在异物或遮挡，则为上楼梯/上坡两种路况(简称模式3)。同时，对模式2的三种路况进行判断，若脚跟光电传感器模块1没有检测异物或遮挡，则路况为平地；若脚跟光电传感器模块1检测有异物或遮挡，则为下楼梯/下坡两种路况(简称模式4)。由此，在特殊点②进一步把路况分为障碍物、平地、模式3和模式4四种路况。
(3)当陀螺仪模块3测得的信号到达特殊点③时，利用脚尖光电传感器模块2对模式3的两种路况进行区分，若脚尖光电传感器模块2检测到异物或遮挡，则路况为上楼梯；若脚尖光电传感器模块2没有检测到异物或遮挡，则路况为上坡。同时，利用脚跟光电传感器模块1对模式4的两种路况进行区分，若脚跟光电传感器模块1检测到异物或遮挡，则路况为下楼梯；若脚跟光电传感器模块1没有检测到异物或遮挡，则路况为下坡。由此，在特殊点③可以进一步把路况分为平地/上坡/下坡/上楼梯/下楼梯/障碍物六种路况。
由此利用陀螺仪模块3的三个特殊点配合脚跟光电传感器模块1和脚尖光电传感器模块2便识别出了平地/上坡/上坡/上楼梯/下楼梯/障碍物六种路况。
本发明路况识别系统是在已有普通主动式膝上假肢的基础上，在假脚8脚跟安装脚跟光电传感器模块1、在假脚8脚尖安装脚尖光电传感器模块2、在假肢小腿管7上安装陀螺仪模块3，利用单片机模块4处理各传感器信息，根据传感器提取的信息，经综合分析，实现对人体下肢运动过程中不同路况的有效识别。根据不同路况，单片机模块4驱动直流电机51，控制假肢膝关节6的运动。
当穿戴带有路况识别系统的残肢运动后，安装在假肢小腿管7上面的陀螺仪模块3产生假肢小腿管7前后方向摆动的角速度信号；脚跟光电传感器模块1和脚尖光电传感器模块2随着该运动能判断出不同路况的异物或遮挡信息；脚跟光电传感器模块1、脚尖光电传感器模块2和陀螺仪模块3检测到的各传感器信号经单片机模块4的模拟量输入接口电路43输入单片机芯片41，经单片机芯片41综合分析后，经单片机模块4的开关量输出接口电路44控制驱动电机模块5，进而控制假肢膝关节6完成相应的行走动作；当脚跟光电传感器模块1和脚尖光电传感器模块2配合陀螺仪模块3判断出不同路况信息后，根据脚跟光电传感器模块1和脚尖光电传感器模块2测量的距离信号在合适的距离(由患者步长决定)之内，控制假肢膝关节6根据不同路况做出相应的动作。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (1)
1.一种膝上假肢的路况识别系统，该路况识别系统包括假肢膝关节、假肢小腿管和假脚，其特征在于该路况识别系统还包括脚跟光电传感器模块、脚尖光电传感器模块、陀螺仪模块、单片机模块和驱动电机模块；所述脚跟光电传感器模块包括脚跟光电传感器及脚跟放大滤波电路，脚尖光电传感器模块包括脚尖光电传感器及脚尖放大滤波电路，脚跟光电传感器模块和脚尖光电传感器模块分别安装在假脚的脚跟和脚尖；所述陀螺仪模块包括陀螺仪及陀螺仪放大滤波电路，安装在假肢小腿管的正前方，位于假肢膝关节和假脚中间；所述驱动电机模块包括直流电机及其正反转控制电路，安装在假肢膝关节与假肢小腿管之间的上部位置；所述单片机模块由单片机芯片、最小系统基本电路、模拟量输入接口电路、开关量输出接口电路组成，安装在假肢膝关节与假肢小腿管之间、驱动电机模块的下方、陀螺仪模块的上方；
所述脚跟光电传感器与脚跟放大滤波电路电连接，脚尖光电传感器与脚尖放大滤波电路电连接，陀螺仪与陀螺仪放大滤波电路电连接；脚跟光电传感器模块、脚尖光电传感器模块、陀螺仪模块均分别通过各自的放大滤波电路与单片机模块的模拟量输入接口电路电连接；所述单片机模块的最小系统基本电路、模拟量输入接口电路分别连接在单片机芯片的一侧，开关量输出接口电路连接在单片机芯片的另一侧；所述驱动电机模块的正反转控制电路与单片机模块的开关量输出接口电路相连接，直流电机一端与正反转控制电路电连接，直流电机另一端与假肢膝关节相连。
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