CN109938892B - 一种智能膝上假肢穿戴者骑行状态识别系统 - Google Patents
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Abstract
本发明一种智能膝上假肢穿戴者骑行状态识别系统。该系统包括假肢主体结构和识别系统；所述的假肢主体结构包括假肢接受腔、假肢膝关节、假肢小腿管、假肢脚，其中，假肢接受腔底部连接假肢膝关节，假肢膝关节底部连接假肢小腿管上端，假肢小腿管下端连接假肢脚；所述的识别系统包括假肢接受腔角度模块、假肢小腿模块、脚尖压力传感器模块、脚心压力传感器模块、脚跟压力传感器模块、单片机模块和驱动电机模块。本发明对膝关节角度的判断的准确率及计算速度大大提高；通过多传感器进行判断，大大提高了骑行状态判断的准确性。
Description
技术领域
本发明属于假肢技术领域，具体是一种膝上假肢运动状态识别系统，能够对假肢穿戴者的骑行运动状态进行识别，之后对假肢膝关节进行控制，提高了假肢穿戴者骑行时的流畅性、安全性和稳定性。
背景技术
由于自然灾害、交通事故等原因，下肢膝上截肢者越来越多，假肢成为了截肢者恢复正常运动状态的唯一装置，但是现在假肢市场中的被动假肢膝关节主要以气缸或液压假肢膝关节居多。但是被动型假肢不能够帮助残疾人主动运动，还会增加残疾人代谢能量，甚至会产生安全隐患。骑行作为一项下肢假肢者活动，在一项对500名下肢截肢者调查研究中表明，240人表示他们在截肢后更愿意进行骑行等运动，250人表示在截肢者截肢后就停止了骑行，这会对残疾人健康造成很大的影响。但是对于普通的气缸型假肢，在过量运动之后，会需要让残疾人进行“放气”，才能够使气缸型假肢稳定的运动，尤其是在骑行时，由于运动更加频繁，需要更加频繁的进行“放气”，这样十分的不安全，而且极不方便。随着计算机技术以及检测技术的发展，出现了能够主动配合运动的智能型假肢，专利号ZL201010589305.2公开了一种“建立下肢假肢自动训练专家知识库的方法”，所用硬件由假肢膝关节、接受腔、足底压力传感器和控制电路组成，该专利通过建立专家知识库，适应不同身体状态的假肢穿戴者，然后根据假肢穿戴者实现对假肢的控制量，提高了假肢穿戴者行走的稳定性；专利号ZL201410314216.5公开了“一种膝上假肢的路况识别系统”该装置由假脚脚尖光电传感器模块、假脚脚跟光电传感器模块、陀螺仪模块、单片机模块和驱动电机模块构成。通过单片机对传感器信息的处理，判断假肢穿戴者当前行走的路况，帮助了残疾人解决上楼体、爬坡等问题。但是虽然这些系统能够对步速以及不同的路况进行识别。但是对于假肢穿戴者骑行运动状态的识别并未提及。
发明内容
本发明的目的为针对现在有技术的不足，提供一种智能膝上假肢穿戴者骑行状态识别系统。该系统通过在假肢上安装多传感器信号，结合陀螺仪信号和加速度信号通过对信号处理判断出假肢穿戴者当前的运动状态，并把运动状态信息提供给智能假肢，使假肢穿戴者的运动更加省力和安全。
本发明的技术方案为：
一种智能膝上假肢穿戴者骑行状态识别系统，该系统包括假肢主体结构和识别系统；所述的假肢主体结构包括假肢接受腔、假肢膝关节、假肢小腿管、假肢脚，其中，假肢接受腔底部连接假肢膝关节，假肢膝关节底部连接假肢小腿管上端，假肢小腿管下端连接假肢脚；
所述的识别系统包括假肢接受腔角度模块、假肢小腿模块、脚尖压力传感器模块、脚心压力传感器模块、脚跟压力传感器模块、单片机模块和驱动电机模块；其中，假肢接受腔角度模块安装在假肢接受腔内，与假肢小腿模块在假肢伸展时在同一平行线上；假肢小腿模块安装在假肢脚上方假肢小腿管处；脚尖压力传感器模块安装在假肢脚前脚掌；脚心压力传感器模块安装在假肢脚脚心；脚跟压力传感器模块安装在假肢脚脚跟；单片机模块安装在假肢小腿模块上方假肢小腿管处；驱动电机模块安装在紧靠假肢膝关节下方且在单片机模块上方的假肢小腿管处；
所述的假肢接受腔角度模块包括假肢接受腔陀螺仪、假肢接受腔加速度计、假肢接受腔卡尔曼滤波信号放大电路；
所述的假肢小腿模块包括假肢小腿陀螺仪、假肢小腿加速度计、假肢小腿卡尔曼滤波信号放大电路；
所述的脚尖压力传感器模块包括脚尖压力传感器、脚尖压力信号放大电路；
所述的脚心压力传感器模块包括脚心压力传感器、脚心压力信号放大电路；
所述的脚跟压力传感器模块包括脚跟压力传感器、脚跟压力信号放大电路；脚尖压力传感器安装在假肢前脚掌位置；脚心压力传感器安装在假肢脚脚心位置；脚跟压力传感器安装在假肢脚脚跟位置；将脚尖压力信号放大电路安装在假肢脚前脚掌内侧；脚心压力信号放大电路安装在假肢脚脚心内侧；脚跟压力信号放大电路安装在假肢脚脚跟内侧；
所述的驱动电机模块包括电机正反转控制电路以及直流电机；
其连接方式为：假肢接受腔陀螺仪、假肢接受腔加速度计分别与假肢接受腔卡尔曼滤波信号放大电路连接，假肢接受腔卡尔曼滤波信号放大电路与单片机模块中的A/D转换电路连接；假肢小腿陀螺仪与假肢小腿加速度计分别与假肢小腿卡尔曼滤波信号放大电路连接，假肢小腿卡尔曼滤波信号放大电路与单片机模块中的A/D转换电路连接；脚尖压力传感器与脚尖压力信号放大电路连接，脚尖压力放大电路与单片机模块中的A/D转换电路连接；脚心压力传感器与脚心压力信号放大电路连接，脚心压力信号放大电路与单片机模块中的A/D转换电路连接；脚跟压力传感器与脚跟压力信号放大电路连接，脚跟压力信号放大电路与单片机模块中的A/D转换电路连接；A/D转换电路与单片机的I口连接，D/A转换电路与单片机的O口连接；电机正反转控制电路与直流电机连接，电机正反转控制电路与D/A转换电路连接，直流电机与假肢膝关节连接。
所述的智能膝上假肢骑行运动状态识别系统的识别方法，包括如下步骤：
(1)当脚尖压力传感器模块中信号输入为1，脚心压力传感器模块中信号输入为0，脚跟压力传感器模块中信号输入为1时，则可以直接判断出此时的假肢穿戴者运动状态为骑行；判断假肢小腿加速度信号为正时，控制电机模块使假肢张开；当膝关节角度信号达到110°度时，控制假肢收缩；当判断假肢小腿加速度信号为负时，控制假肢膝关节收缩，当膝关节角度缩小到75°时，控制假肢张开；
(2)当脚尖压力传感器模块信号输入为0，脚心压力传感器模块中信号输入为1，脚跟压力传感器模块中信号输入为1时，则可能当前运动状态为行走或者骑行，判断膝关节角度信号，当角度在75°与110°之间时则当前运动状态为骑行，判断假肢小腿加速度信号为正时，控制电机模块使假肢张开；当膝关节角度信号达到110°度时，控制假肢收缩；当判断假肢小腿加速度信号为负时，控制假肢膝关节收缩，当膝关节角度缩小到75°时，控制假肢张开；若膝关节角度在130°与180°之间时，为步行运动状态中的支撑相末期；若为其他角度则重新对运动状态进行判断；
(3)当脚尖压力传感器模块信号输入为1，脚心压力传感器模块中信号输入为1，脚跟压力传感器模块中信号输入为0时，则可能当前运动状态为行走或者骑行，判断膝关节角度信号；当膝关节角度在75°与110°之间时则当前运动状态为骑行，且判断假肢小腿加速度信号为正时候，控制电机模块使假肢张开；当膝关节角度信号达到110°度时，控制假肢收缩；判断假肢小腿加速度信号为负时，控制假肢膝关节收缩；当膝关节角度缩小到75°时，控制假肢张开；若膝关节角度150°与180°之间时，则为步行运动状态中的首次触地期；若为其他角度则重新对运动状态进行判断。
本发明的实质性特点为：
本发明利用了假肢穿戴者的脚心部位的压力传感器进行信息判断；角度信息通过结合陀螺仪信号和加速度信号来计算，使得膝关节角度的结果更加准确。
本发明的有益效果在于：
(1)分别在假肢小腿和假肢接受腔内安装陀螺仪及加速度传感器，对膝关节角度的判断的准确率及计算速度大大提高；
(2)通过多传感器进行判断，大大提高了骑行状态判断的准确性；
(3)减少假肢穿戴者的负担，增加了假肢穿戴者骑行时的流畅性，增加的假肢穿戴者骑行的稳定性，提高生活质量。
附图说明
图1为本发明膝上假肢穿戴者骑行状态识别系统的模块安装示意图；
图2为脚尖压力传感器模块内部示意图；
图3假肢脚压力传感器安装位置图；
图4为假肢脚内侧压力传感器安装位置图；
图5为本发明膝上假肢穿戴者骑行状态识别系统硬件部分连接原理图；
图6为骑行时完整周期的角度信号图；
图7为本发明膝上假肢穿戴者骑行状态识别系统的运动状态识别流程图；
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施例，具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。
本发明提供了一种智能膝上假肢穿戴者骑行状态识别系统如图1所示，包括假肢主体结构和识别系统。其中假肢主体结构由假肢接受腔1、假肢膝关节2、假肢小腿管3、假肢脚4，其结构方式为假肢接受腔1底部连接假肢膝关节2，假肢膝关节2底部连接假肢小腿管3上端，假肢小腿管3下端连接假肢脚4。
所述的假肢主体结构中的器件均为当前公知技术。
所述的识别系统包括假肢接受腔角度模块5、假肢小腿模块6、脚尖压力传感器模块7、脚心压力传感器模块8、脚跟压力传感器模块9、单片机模块10和驱动电机模块11；其中，假肢接受腔角度模块5安装在假肢接受腔1内，与假肢小腿模块6在假肢伸展时在同一平行线上；假肢小腿模块6安装在假肢脚4上方假肢小腿管3处；脚心压力传感器模块8安装在假肢脚4脚心；脚跟压力传感器模块9安装在假肢脚脚跟位置；单片机模块10安装在小腿角度模块6上方假肢小腿管3处；驱动电机模块11安装在紧靠假肢膝关节2下方且在单片机模块10上方的假肢小腿管3处；
所述的假肢接受腔角度模块5包括假肢接受腔陀螺仪51、假肢接受腔加速度计52、假肢接受腔卡尔曼滤波信号放大电路53；
所述的假肢小腿模块6包括假肢小腿陀螺仪61、假肢小腿加速度计62、假肢小腿卡尔曼滤波信号放大电路63；
本系统中的陀螺仪、加速度模块均采用MPU6050仪器；
所述的脚尖压力传感器模块7如图2所示，由脚尖压力传感器71、以及脚尖压力信号放大电路72构成，把脚尖压力传感器71安装在假肢脚4前脚掌处；当脚部与脚蹬接触时，脚尖压力传感器71按下，输出信号为0，不接触时输出信号为1，脚尖压力信号放大电路72安装在假肢脚4前脚掌内侧，脚心压力传感器模块8、脚跟压力传感器模块9装置与脚尖压力传感器7同样的装置，由压力传感器以及信号放大电路构成，这样可以最大程度上提高假肢穿戴者的舒适度；
所述的脚心压力传感器模块8包括脚心压力传感器81、脚心压力信号放大电路82；
所述的脚跟压力传感器模块9包括脚跟压力传感器91、脚跟压力信号放大电路92；如图3：将脚尖压力传感器71，安装在假肢前脚掌位置；将脚心压力传感器81安装在假肢脚4脚心位置；将脚跟压力传感器91，安装在假肢脚4脚跟位置；如图4：将脚尖压力信号放大电路72安装在假肢脚4前脚掌内侧；将脚心压力信号放大电路82安装在假肢脚4脚心内侧；将脚跟压力信号放大电路92安装在假肢脚4脚跟内侧；压力传感器具体安装位置如图3所示，在安装时测量好压力传感器位置，不会发生踩不到传感器或者踩到两个传感器的情况。
所述的脚尖压力传感器具体均为FPC薄膜开关；
所述的脚尖压力信号放大电路具体均为LM358。
所述的单片机模块10包括A/D转换电路101、单片机102、D/A转换电路103；单片机采用stm32系统；
所述的驱动电机模块11包括电机正反转控制电路111以及直流电机112；
其电连接方式为：假肢接受腔陀螺仪51、假肢接受腔加速度计52分别与与假肢接受腔卡尔曼滤波信号放大电路53连接，假肢接受腔卡尔曼滤波信号放大电路53与单片机模块10中的A/D转换电路101连接；假肢小腿陀螺仪61与假肢小腿加速度计62分别与假肢小腿卡尔曼滤波信号放大电路63连接，假肢小腿卡尔曼滤波信号放大电路63与单片机模块10中的A/D转换电路101连接；脚尖压力传感器71与脚尖压力信号放大电路72连接，脚尖压力信号放大电路72与单片机模块10中的A/D转换电路101连接；脚心压力传感器81与脚心压力信号放大电路82连接，脚心压力信号放大电路82与单片机模块10中的A/D转换电路101连接；脚跟压力传感器91与脚跟压力信号放大电路92连接，脚跟压力信号放大电路92与单片机模块10中的A/D转换电路101连接；A/D转换电路101与单片机102I口连接，D/A转换电路103与单片机102的O口连接；电机正反转控制电路111与直流电机112连接，电机正反转控制电路111与D/A转换电路103连接，直流电机113与假肢膝关节2连接。
本发明智能膝上假肢骑行运动状态识别系统的工作原理和工作过程是：
其中工作原理是：
陀螺仪测量的是角加速度值，可以通过对上一时刻的角速度乘以单位时间得到对应时刻的角度为：
dθ＝dt×ω
其中dt为单位时间；ω为此时刻的角速度。所以可以通过对角速度的积分得到当前的角度。但是由于陀螺仪会出现静态漂移，就是当陀螺仪静止时，陀螺仪也会出现一个值，这个值会对计算角度产生影响，所以在计算时要减去这个值：
A＝B+(G-Q)*dt
式中A当前时刻角度，B为上一时刻角度，G为陀螺仪的测试值Q为陀螺仪的零点漂移值，dt为两次滤波的时刻间隔。将两式变为矩阵为：
对应于卡尔曼滤波中即为：
X(k|k-1)＝AX(k-1|k-1)+B U(k)
式中X(k|k-1)为2维列向量
A为2维方阵
X(k-1|k-1)为2维列向量
B为2维列向量
U(k)为G。
最终得出当前角度，然后利用假肢大腿关节角度和假肢小腿关节角度得出膝关节角度。
假肢小腿向前加速度为正，向后加速度为负。
所述的识别原理为公知技术：脚尖压力传感器模块7、脚心压力传感器模块8、脚跟压力传感器模块9同时将接受到的模压力信号通过A/D转换电路101传送到单片机102中，单片机102根据对假肢接受腔角度模块5输入的角度信息与假肢小腿模块6输入的角度信息进行处理得到膝关节角度信息(如图6)，得到骑行时膝关节角度在75°到110°之间，单片机对脚底压力信号、膝关节角度信号以及假肢小腿模块6输入的加速度信号的正负，对当前的骑行运动状态进行判断。
工作过程是：由于每个人对于踩脚蹬的位置均有不同所以需要根据不同的情况对骑行状态进行判断(如图7)：
(4)当脚尖压力传感器模块7中信号输入为1，脚心压力传感器模块8中信号输入为0，脚跟压力传感器模块9中信号输入为1时，则可以直接判断出此时的假肢穿戴者运动状态为骑行，判断假肢小腿加速度信号为正时，控制电机模块使假肢张开；当膝关节角度信号达到110°度时，控制假肢收缩；当判断假肢小腿加速度信号为负时，控制假肢膝关节收缩，当膝关节角度缩小到75°时，控制假肢张开；
(5)当脚尖压力传感器模块7信号输入为0，脚心压力传感器模块8中信号输入为1，脚跟压力传感器模块9中信号输入为1时，则可能当前运动状态为行走或者骑行，判断膝关节角度信号，当角度在75°与110°之间时则当前运动状态为骑行，判断假肢小腿加速度信号为正时，控制电机模块使假肢张开；当膝关节角度信号达到110°度时，控制假肢收缩，当判断假肢小腿加速度信号为负时，控制假肢膝关节收缩，当膝关节角度缩小到75°时，控制假肢张开；若膝关节角度在130°与180°之间时，为步行运动状态中的支撑相末期；若为其他角度则重新对运动状态进行判断；
(6)当脚尖压力传感器模块7信号输入为1，脚心压力传感器模块8中信号输入为1，脚跟压力传感器模块9中信号输入为0时，则可能当前运动状态为行走或者骑行，判断膝关节角度信号，当膝关节角度在75°与110°之间时则当前运动状态为骑行，且判断假肢小腿加速度信号为正时候，控制电机模块使假肢张开；当膝关节角度信号达到110°度时，控制假肢收缩；判断假肢小腿加速度信号为负时，控制假肢膝关节收缩，当膝关节角度缩小到75°时，控制假肢张开；若膝关节角度150°与180°之间时，则为步行运动状态中的首次触地期。若为其他角度则重新对运动状态进行判断。
本发明的系统形式并非限于本案图示和实施例,任何人对其进行类似思路的适当变化或修饰,皆应视为不脱离本发明的专利范畴。
本发明未尽事宜为公知技术。
Claims (2)
1.一种智能膝上假肢穿戴者骑行状态识别系统，该系统包括假肢主体结构和识别系统；所述的假肢主体结构包括假肢接受腔、假肢膝关节、假肢小腿管、假肢脚，其中，假肢接受腔底部连接假肢膝关节，假肢膝关节底部连接假肢小腿管上端，假肢小腿管下端连接假肢脚；
其特征为所述的识别系统包括假肢接受腔角度模块、假肢小腿模块、脚尖压力传感器模块、脚心压力传感器模块、脚跟压力传感器模块、单片机模块和驱动电机模块；其中，假肢接受腔角度模块安装在假肢接受腔内，与假肢小腿模块在假肢伸展时在同一平行线上；假肢小腿模块安装在假肢脚上方假肢小腿管处；脚尖压力传感器模块安装在假肢脚前脚掌；脚心压力传感器模块安装在假肢脚脚心；脚跟压力传感器模块安装在假肢脚脚跟；单片机模块安装在假肢小腿模块上方假肢小腿管处；驱动电机模块安装在紧靠假肢膝关节下方且在单片机模块上方的假肢小腿管处；
所述的假肢接受腔角度模块包括假肢接受腔陀螺仪、假肢接受腔加速度计、假肢接受腔卡尔曼滤波信号放大电路；
所述的假肢小腿模块包括假肢小腿陀螺仪、假肢小腿加速度计、假肢小腿卡尔曼滤波信号放大电路；
所述的脚尖压力传感器模块包括脚尖压力传感器、脚尖压力信号放大电路；
所述的脚心压力传感器模块包括脚心压力传感器、脚心压力信号放大电路；
所述的脚跟压力传感器模块包括脚跟压力传感器、脚跟压力信号放大电路；脚尖压力传感器安装在假肢前脚掌位置；脚心压力传感器安装在假肢脚脚心位置；脚跟压力传感器安装在假肢脚脚跟位置；将脚尖压力信号放大电路安装在假肢脚前脚掌内侧；脚心压力信号放大电路安装在假肢脚脚心内侧；脚跟压力信号放大电路安装在假肢脚脚跟内侧；
所述的驱动电机模块包括电机正反转控制电路以及直流电机；
其连接方式为：假肢接受腔陀螺仪、假肢接受腔加速度计分别与假肢接受腔卡尔曼滤波信号放大电路连接，假肢接受腔卡尔曼滤波信号放大电路与单片机模块中的A/D转换电路连接；假肢小腿陀螺仪与假肢小腿加速度计分别与假肢小腿卡尔曼滤波信号放大电路连接，假肢小腿卡尔曼滤波信号放大电路与单片机模块中的A/D转换电路连接；脚尖压力传感器与脚尖压力信号放大电路连接，脚尖压力放大电路与单片机模块中的A/D转换电路连接；脚心压力传感器与脚心压力信号放大电路连接，脚心压力信号放大电路与单片机模块中的A/D转换电路连接；脚跟压力传感器与脚跟压力信号放大电路连接，脚跟压力信号放大电路与单片机模块中的A/D转换电路连接；A/D转换电路与单片机的I口连接，D/A转换电路与单片机的O口连接；电机正反转控制电路与直流电机连接，电机正反转控制电路与D/A转换电路连接，直流电机与假肢膝关节连接。
2.如权利要求1所述的智能膝上假肢骑行运动状态识别系统的识别方法，其特征为包括如下步骤：
(1)当脚尖压力传感器模块中信号输入为1，脚心压力传感器模块中信号输入为0，脚跟压力传感器模块中信号输入为1时，则可以直接判断出此时的假肢穿戴者运动状态为骑行；判断假肢小腿加速度信号为正时，控制电机模块使假肢张开；当膝关节角度信号达到110°时，控制假肢收缩；当判断假肢小腿加速度信号为负时，控制假肢膝关节收缩，当膝关节角度缩小到75°时，控制假肢张开；
(2)当脚尖压力传感器模块信号输入为0，脚心压力传感器模块中信号输入为1，脚跟压力传感器模块中信号输入为1时，则可能当前运动状态为行走或者骑行，判断膝关节角度信号，当角度在75°与110°之间时则当前运动状态为骑行，判断假肢小腿加速度信号为正时，控制电机模块使假肢张开；当膝关节角度信号达到110°时，控制假肢收缩；当判断假肢小腿加速度信号为负时，控制假肢膝关节收缩，当膝关节角度缩小到75°时，控制假肢张开；若膝关节角度在130°与180°之间时，为步行运动状态中的支撑相末期；若为其他角度则重新对运动状态进行判断；
(3)当脚尖压力传感器模块信号输入为1，脚心压力传感器模块中信号输入为1，脚跟压力传感器模块中信号输入为0时，则可能当前运动状态为行走或者骑行，判断膝关节角度信号；当膝关节角度在75°与110°之间时则当前运动状态为骑行，且判断假肢小腿加速度信号为正时，控制电机模块使假肢张开；当膝关节角度信号达到110°时，控制假肢收缩；判断假肢小腿加速度信号为负时，控制假肢膝关节收缩；当膝关节角度缩小到75°时，控制假肢张开；若膝关节角度150°与180°之间时，则为步行运动状态中的首次触地期；若为其他角度则重新对运动状态进行判断。
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