CN110859688B - 一种用于假肢控制的智能鞋及假肢的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于智能控制技术领域，提供了一种用于假肢控制的智能鞋及假肢的控制方法，包括：鞋底和鞋面，鞋底内嵌有假肢控制装置，可以使穿戴智能鞋的用户通过脚部控制智能鞋鞋底指定位置对假肢进行控制，同时假肢操作的位置、力触觉信息也会通过智能鞋假肢控制装置反馈给使用者的脚部。该智能鞋将假肢的控制装置都集成在患者日常穿戴的鞋中，通过使用者脚部的动作可以智能地控制假肢的操作，并可实现假肢操作动作的反馈。通过对鞋的改造，可以使佩戴假肢的用户的日常生活中不受地点限制、无障碍地用脚部控制具有力触觉反馈的智能假肢，可以有效提高佩戴假肢的用户的生活质量，帮助该群体恢复基本生活和工作能力，具有重要的社会意义和经济价值。

Description

一种用于假肢控制的智能鞋及假肢的控制方法
技术领域
本发明涉及智能控制技术领域，尤其涉及一种用于假肢控制的智能鞋及假肢的控制方法。
背景技术
目前市场上比较常见的智能假肢为肌电假肢，这类假肢通过肌肉收缩产生的电信号控制假肢进行抓握操作，无法使操作者感觉到机械手与进行操作时外界环境物体之间的作用力，在进行精细操作或对易碎物品进行握持时很容易造成物体的损坏。
现有技术中的假肢控制方法中有些将使用者下肢的多个部分作为多路控制信号源。但下肢控制的假肢控制装置仅是假肢操作的信号源，通过采集使用者下肢关节运动信号或肌肉肌电信号来控制假肢操作。但无法将假肢操作过程中的力和位置信息反馈给使用者，因此操作者无法真实地感受操作过程和操作对象特性。
具有力触觉反馈的智能假肢可以有效感知假肢环境中的力触觉信息，提高假肢的使用操作性。但是具有力触觉反馈的智能假肢设备除了假肢操作端外，还需要有额外的假肢控制端对假肢进行具有力触觉反馈的操作控制。现有一些论文及报道中的具有力触觉反馈的智能假肢多处于实验室原理验证阶段，其控制端相对庞大，也没有便携、可以方便嵌入肢体残疾患者衣物中的方案，不利于肢体残疾患者日常生活场景中应用。
专利CN 108021163涉及了一种用于假肢控制的智能鞋，通过基于用户脚步行为生成的感测信号，可以控制智能鞋执行目标操作。但该方案仅涉及脚部行为对鞋的某些智能控制，不涉及对智能鞋以外的装置如假肢的智能控制，并且仅涉及两种预设操作。
故有必要提出一种新的技术方案，以解决上述技术问题。
发明内容
本发明实施例提供一种用于假肢控制的智能鞋及假肢的控制方法，以解决现有假肢控制过程不能通过日常穿戴的鞋进行带有力触觉感知反馈的假肢进行控制的问题。
本发明实施例的第一方面提供了一种用于假肢控制的智能鞋，由鞋底和鞋面组合而成，所述鞋底内嵌有假肢控制装置，用于感知用户操作，以使穿戴所述智能鞋的用户通过脚部指定位置对假肢进行控制，并且用户可以通过智能鞋假肢控制装置进行假肢操作过程的位置、力触觉信息感知，所述用户所佩戴的假肢包括上肢假肢和下肢假肢。
可选地，所述假肢控制装置包括控制端和执行端；
所述控制端包括通信组件、控制组件、传感器组件、电机及驱动组件；
所述执行端用于执行佩戴假肢的用户所需执行的动作；
所述传感器组件用于检测所述执行端所执行的动作，所述控制组件根据接收到的执行端的运动情况生成相应智能假肢操作指令；
所述通信组件将假肢操作指令发送到所述智能假肢，同时接收智能假肢操作过程中位置、力触觉等操作信息，并将其发送给控制组件；
所述的电机及驱动组件接受控制组件通过通信组件获得的智能假肢操作过程的位置、力触觉等信息而生成的控制指令，驱动假肢控制装置执行端运动，向用户脚部与驱动组件接触的部分反馈智能假肢操作过程的位置、力触觉等操作信息，形成信息双向交互。
可选地，佩戴假肢的用户穿戴所述智能鞋时，所述执行端套设在佩戴假肢的用户的脚趾上或设置在所述佩戴假肢的用户的脚掌下方，通过脚趾或脚掌的拉伸或按压实现对其所佩戴的假肢的控制。
可选地，所述假肢控制装置中还包含电源组件，用于为所述假肢控制装置供电。
可选地，所述的智能假肢控制装置电源组件可以是电池，也可是某种可以充电的电源模块，其充电方式可以将电源组件从智能鞋中取出后充电，也可以通过智能鞋中的外部接口直接对电源组件进行充电。
本发明实施例的第二方面提供了一种假肢的控制方法，所述控制方法包括：
佩戴假肢的用户穿戴智能鞋后，通过所述智能鞋中的假肢控制装置检测所述用户的运动意图，所述假肢包括上肢假肢和下肢假肢；根据检测结果控制所佩戴的假肢的运动。
可选地，所述通过所述智能鞋中的假肢控制装置检测所述用户的运动意图，包括：
所述假肢控制装置包括控制端和执行端；
所述控制端包括通信组件、控制组件、传感器组件以及驱动组件；
通过所述传感器组件检测所述执行端当前所执行的动作，并通过所述通信组件将检测结果发送到所述控制组件；
所述控制组件根据接收到的执行端的运动情况生成操作指令。
可选地，所述根据检测结果控制所佩戴的假肢的运动，包括：
将操作指令通过所述通信组件反馈至所述执行端，以指示所述执行端执行相应的操作。
本申请提供的智能鞋由鞋底和鞋面组合而成，鞋底内嵌有假肢控制装置，可以使穿戴智能鞋的用户通过脚部指定位置对假肢进行控制。本申请中的智能鞋巧妙地将具有力触觉感知功能的智能假肢操作端嵌入到鞋中，以实现带有力触觉反馈的智能假肢双向控制；一方面可以通过使用者脚部的运动控制智能假肢的操作，另一方面还可以将智能假肢操作过程中的位置、力触觉信息实时通过使用者脚部反馈使用者，使智能假肢操作更为真实、透明，使智能假肢操作更为精准；同时也使得使用者可以轻松、方便、无障碍地在日常生活中应用带有力触觉反馈的智能假肢。另外，本申请的将智能假肢操作端进行模块化设计，可以根据使用者需求对各模块进行各种形式的组装，方便用户使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方法，下面将实施例或现有技术描述中所需要的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图得到其他的附图。
图1为本发明实施例提供的智能鞋的外形示意图；
图2为本发明提供的智能鞋的鞋底结构的示意图；
图3为本发明实施例提供的智能鞋控制假肢的过程意图；
图4为本发明另一实施例提供的智能鞋控制假肢的过程意图。
其中，1-鞋底，2-鞋面，3-脚部，11-假肢控制装置，12-鞋底部，111-假肢控制装置，112-执行器，1111-电源组件，1112通信组件，1113-控制组件，1114-传感器组件，1115-电机及驱动组件。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明提供的实施例。然而，本领域技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其他实施例中也可以实现本发明。在其他情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
具体请参阅图1-4，本发明一种用于假肢控制的智能鞋，包括：智能鞋的鞋底1和鞋面2，假肢控制装置嵌入到鞋底1中，用于感知用户操作，在不影响使用者对鞋的使用需求的同时，可以完成智能假肢操作并进行假肢操作的力触觉反馈。智能鞋的鞋面2，所述的智能鞋的鞋面2可以简易地与智能鞋鞋底1组装为一双日常生活中实用的鞋。
该智能鞋将假肢的控制装置都集成在患者日常穿戴的鞋中，通过使用者脚部的动作可以智能地控制假肢的操作，同时假肢操作的位置、力触觉信息也会通过智能鞋组件反馈给使用者的脚部。通过对鞋的改造，可以使残疾患者日常生活中不受地点限制、无障碍地用脚部控制具有力触觉反馈的智能假肢，可以有效提高肢体残疾患者的生活质量，帮助该群体恢复基本生活和工作能力，具有重要的社会意义和经济价值。
本申请中的假肢可以佩戴在肢体残疾患者脚部某个部位，通过上述假肢控制装置控制假肢操作的运动。同时还可以将假肢操作过程中位置信息和与外界环境的力触觉信息通过假肢控制反馈给用户。
该智能鞋能够完成正常鞋子可以完成的各类功能，同时还可以生成操作指令控制智能假肢完成各类带有力触觉反馈的操作。
如附图2所示，鞋底1包括智能假肢操作装置11和鞋底部12。
附图3和附图4分别为本发明提供的面向假肢控制的智能鞋实施例的智能鞋结构图。
智能鞋的假肢控制装置11包括控制端111和执行端112。执行端112在脚部3运动作用下发生形变，控制智能假肢操作端完成相关操作。
上述控制端111包括电源组件1111、通信组件1112、控制组件1113、传感器组件1114、电机及驱动组件1115等。假肢操作执行端112的运动变化可以由传感器组件1114实时检测并发送给控制组件1113。控制组件1113根据假肢操作执行器112的运动生成假肢操作指令，经过通信组件1112发送给智能假肢操作端进行相关操作。同时，假肢操作端在操作过程中对环境中力触觉信息以及假肢运动的位置信息也由通信组件1112接收并发送给控制组件1113。控制组件1113生成对智能假肢操作的执行端112的运动指令，经过电机及驱动组件1115对假肢控制端执行端112进行运动控制，使脚部3可以实时感受到假肢操作端接触环境时感知的力触觉反馈信息和运动的位置信息。从而实现假肢操作控制及信息交互，实现通过智能鞋对智能假肢的具有力触觉反馈功能的操作控制。
如图3和图4所示智能鞋的实施例中，用户可以通过脚部脚趾或脚掌的按压、拉伸实现智能假肢控制端的操作控制。用户可以通过脚部生成运动信号，控制智能假肢对外部物体进行操作。面向带有力触觉反馈智能假肢的智能鞋控制方案采用双向控制策略，一方面可以通过使用者脚部的运动控制智能假肢的操作，另一方面还可以将智能假肢操作过程中的位置、力触觉信息实时通过使用者脚部反馈使用者，使智能假肢操作更为真实、透明，使智能假肢操作更为精准。例如，当智能假肢操作一个石块时，由于石块比较硬，对石块操作过程中的位置信息和力触觉信息(“硬”)可以实时反馈给用户，使用户操作部位可以“感受到”石块的硬度。同样地，当智能假肢操作一个草莓时，由于草莓比较软，并且容易捏碎，对草莓操作过程中的位置信息和力触觉信息(“软”)可以实时反馈给用户，使用户操作部位可以真实地“感受到”草莓的软度，可以避免假肢操作过程中由于过度操作而捏碎草莓。
进一步地，假肢控制装置中的通信组件与控制组件连接，用于与智能假肢操作端之间采用蓝牙、Wi-Fi、5G中的一种或几种无线传输方式进行信息传输，使智能鞋与假肢之间无需物理连接，系统结构更为简单。
所述的假肢控制装置可以是一个处理模块，包括电源组件、通信组件、控制组件、传感器组件、电机及驱动组件等组件，也可以由以上多个组件集成，组件间通过某种总线方式进行连接。这些组件采用模块化设计方法设计，可以简易地根据功能需求进行组装。
所述的假肢控制装置电源组件可以是电池，也可是某种可以充电的电源模块，其充电方式可以将电源组件从智能鞋中取出后充电，也可以通过智能鞋中的外部接口直接对电源组件进行充电。
所述的假肢控制装置传感器组件可以实时监测智能鞋内假肢操作执行器位置/速度/加速度/压力等多维运动信息，并将这些信息实时地传递给智能假肢控制组件进行数据处理。所述的智能鞋内部各组件都为模块化设计，可以简易的进行组合使用。
与现有技术相比本发明的有益效果是：本申请中巧妙地将具有力触觉感知功能的智能假肢操作端嵌入到鞋中，使得使用者可以轻松、方便、无障碍地在日常生活中应用带有力触觉反馈的智能假肢。该智能鞋面向带有力触觉反馈的智能假肢双向控制，一方面可以通过使用者脚部的运动控制智能假肢的操作，另一方面还可以将智能假肢操作过程中的位置、力触觉信息实时通过使用者脚部反馈使用者，使智能假肢操作更为真实、透明，使智能假肢操作更为精准。将智能假肢操作端进行模块化设计，可以根据使用者需求对各模块进行各种形式的组装。
上述智能鞋控制假肢的方法包括：佩戴假肢的用户穿戴智能鞋后，通过所述智能鞋中的假肢控制装置检测所述用户的运动意图；
根据检测结果控制所佩戴的假肢的运动，所述假肢包括上肢假肢和下肢假肢。
所述通过所述智能鞋中的假肢控制装置检测所述用户的运动意图，包括：所述假肢控制装置包括控制端和执行端；所述控制端包括通信组件、控制组件、传感器组件以及驱动组件；通过所述传感器组件检测所述执行端当前所执行的动作，并通过所述通信组件将检测结果发送到所述控制组件；所述控制组件根据接收到的执行端的运动情况生成操作指令。
以上实施例仅用于对本发明进行说明，而非限定；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细说明，本领域普通技术人员应该理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种用于假肢控制的智能鞋，由鞋底和鞋面组合而成，其特征在于，所述鞋底内嵌有假肢控制装置，用于感知用户操作，使用户通过脚部指定位置对假肢进行控制，并使用户通过智能鞋的假肢控制装置进行假肢操作过程的位置、力触觉信息感知和反馈，所述用户所佩戴的假肢包括上肢和下肢；
所述假肢控制装置包括控制端和执行端；
所述控制端包括通信组件、控制组件、传感器组件、电机及驱动组件；
所述执行端用于执行佩戴假肢的用户所需执行的动作；
所述传感器组件用于检测所述执行端所执行的动作，所述控制组件根据接收到的执行端的运动情况生成相应的假肢操作指令；
所述通信组件将假肢操作指令发送到所述假肢，同时接收所述假肢操作过程中位置、力触觉的操作信息，并将其发送给控制组件；
所述的电机及驱动组件接受控制组件通过通信组件获得的所述假肢操作过程的位置、力触觉信息而生成的控制指令，驱动假肢控制装置的执行端运动，向用户脚部与驱动组件接触的部分反馈所述假肢操作过程的位置、力触觉的操作信息，形成信息双向交互；
佩戴假肢的用户穿戴所述智能鞋时，所述执行端套设在佩戴假肢的用户的脚趾上或设置在所述佩戴假肢的用户的脚掌下方，通过脚趾或脚掌的拉伸实现对其所佩戴的假肢的控制。
2.根据权利要求1所述的智能鞋，其特征在于，所述假肢控制装置中还包含电源组件，用于为所述假肢控制装置供电。
3.根据权利要求2所述的智能鞋，其特征在于，所述电源组件为电池或可充电电源模块。
4.根据权利要求3所述的智能鞋，其特征在于，在所述电源组件为电池时，将所述电池从所述智能鞋中取出，以为所述电源组件充电。
5.根据权利要求3所述的智能鞋，其特征在于，在所述电源组件为可充电电源模块时，通过所述智能鞋上设置的外接接口为所述电源组件进行充电。
6.一种假肢的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
佩戴假肢的用户穿戴根据权利要求1所述的智能鞋后，通过所述智能鞋中的假肢控制装置检测所述用户的运动意图；
根据检测结果控制所佩戴的假肢的运动。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述根据检测结果控制所佩戴的假肢的运动，包括：
将假肢操作指令通过所述通信组件反馈至所述执行端，以指示所述执行端执行相应的操作。
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