CN116269957A - 智能感知仿生足踝假肢系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种智能感知仿生足踝假肢系统及控制方法，有效的解决了现有技术中足踝假肢都是无动力型，无法实现假肢脚部的背屈和跖屈运动，电动控制的下肢假肢无法满足截肢者的正常行走需求的问题；其解决的技术方案是包括阳四棱锥接头，支撑杆件，足踝部组件，底板，柔性支撑组件以及踝关节控制组件；所述足踝部组件，连接在底板两边后侧，其包括球头杆，球铰及其支撑杆件；本发明的智能感知仿生足踝假肢系统及控制方法是实时采集数据，实时传输数据，实时整合数据，实时控制假肢做出相应动作的，同时肌电传感器采集肌电信号用于运动意图的识别，增加假肢运动的准确度，本发明的控制方法更能满足人体行走的各种情况。
Description
技术领域
本发明涉及人体假肢技术领域，具体地，涉及一种智能感知仿生足踝假肢系统及控制方法。
背景技术
根据第二次全国残疾人抽样调查，我国有肢体残疾人2412万，占残疾人总数的29.07％，其中下肢截肢者158万人，约占截肢者总数的70％，并且，小腿以下截肢者数量逐年增加。
足踝脚部假肢是小腿以下截肢者的重要辅助工具，他可以在一定程度上弥补截肢者的肢体缺陷。目前市场主流的足踝假肢通常都是无动力型，其在人行走过程中无法实现假肢脚部的背屈和跖屈运动，腿部运动与正常人来说有差以，难以实现高度对称性，并且产生大量的扭矩和力；市面上也存在一些电动控制的下肢假肢，控制方式大多是先建立不同场景下的步态模型然后导入假肢的控制系统，假肢监测行走时外部的环境，然后执行与之对应的步态控制，此控制能在一定程度上满足截肢者的正常行走需求，但是人的行走是无法用固定步态模型来确定的。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种智能感知仿生足踝假肢系统及控制方法，有效的解决了现有技术中足踝假肢都是无动力型，无法实现假肢脚部的背屈和跖屈运动，电动控制的下肢假肢无法满足截肢者的正常行走需求的问题。
根据本发明提供的一种智能感知仿生足踝假肢系统及控制方法，所述方案如下：
第一方面，提供的一种智能感知仿生足踝假肢系统，所述系统包括足踝假肢实体，所述足踝假肢实体包括：阳四棱锥接头，支撑杆件，底板，柔性缓冲组件，足踝部组件以及踝关节控制组件：
优选的，所述柔性缓冲组件，其包括前足缓冲片，后足缓冲弹簧和后脚掌缓冲板，机构中的弹簧连接底板和后脚掌缓冲板，起到缓冲作用，前脚掌做了前足缓冲片作为缓冲装置，抵消其在行走过程中的作用反力，在步态周期中，背屈运动结束时后脚掌先着地弹簧储能并且前脚掌落地时缓冲片也起到缓冲作用降低落地时的冲击力，减少使用者的不适感觉。
优选的，所述足踝部组件，其包括左右两个球头杆和踝部转轴，球头杆因其自身的结构和功能还能防止运动时出现侧翻等问题，更好的保证协调性，让使用者在行走时变得更平稳。
优选的，所述球头杆上部带有螺纹，与支撑杆件螺纹连接，可以在一定范围内调节足踝假肢实体的整体高度，以适应不同的使用者，同时也解决了健康侧脚鞋子高度的变化而带来的高度变化。
优选的，所述足踝假肢实体控制足踝关节背屈和跖屈运动的主要机构是球铰、滑块、丝杠螺母和丝杠，电动机控制丝杠的转动速度和方向，使得螺母沿着丝杠向上或向下做变速升降运动，螺母与球铰和滑块连接，滑块伴随螺母的上下运动而沿着底板的滑轨做平移运动。
优选的，所述球铰连接滑块，带动滑块在底板上滑动，从而使踝关节完成背屈和跖屈运动，该结构使穿戴假肢的人站立或行走时更加稳定。
优选的，所述前足缓冲片设计为弧形，因人的脚掌具有一定的韧性，且运动时脚背与脚趾之间存在角度的变化，故弧形前足缓冲片满足假肢弹性的需求，较市面上的一块钢板作为假肢前部更符合人体脚部运动规律。
优选的，所述足踝假肢实体带有声控开关，可以在长时间坐着或者不用腿的时候关闭假肢电动部分，节省电能。
第二方面，提供了一种智能感知仿生足踝假肢系统及控制方法，所述方法包括：
数据采集步骤：假肢使用者健康的一条腿佩戴陀螺仪传感器，用来实时采集不同步态，不同环境下健康的那条腿的步态信息，假肢脚背与小腿上的陀螺仪传感器用来监测假肢运动的实际情况，健康侧大腿佩戴肌电传感器，用于运动意图的识别，解码；
数据整合步骤：根据陀螺仪传感器和肌电传感器实时采集的健康腿的步态信息，通过实体假肢控制器进行数据整合，转换，输出可以让假肢实现与健康腿相适应、镜像的步态动作的控制指令；
假肢实际控制步骤：当人体想要走动时，通过肌电传感器智能识别人体运动意图，匹配相应行走环境下踝关节假肢所需的输出力矩，下肢假肢控制器接收到健康腿上陀螺仪传感器的信号输入，利用实体控制器实时输出踝关节的动作指令，实现踝关节假肢步态与健康腿的步态相适应的控制。
优选的，所述数据采集步骤中采集健康腿侧脚踝在不同步态下踝关节转动的角度和角加速度是实时采集。
优选的，所述数据采集步骤中采集健康腿的步态信息数据和肌电传感器的数据均由蓝牙模块无线传输到实体假肢控制器上，无线传输减少了使用者腿部线路的连接。
优选的，数据采集步骤中肌电传感器佩戴在健康腿侧大腿肌肉上，实时采集大腿肌肉的肌电信号，识别、解码人体运动意图，切换运动指令。
优选的，采用肌电传感器进行运动识别，识别确认要行走运动后，陀螺仪传感器开始工作，节省了电量，而假肢又因使用重量的要求无法佩戴很大容量电池，该方法有效的解决了假肢无法长时间续航问题。
优选的，所述数据采集过程是通过4块分别固定在健康腿侧脚背和小腿上，实体假肢脚背和小腿上的陀螺仪来实现。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果。
1.本发明的智能感知仿生足踝假肢系统实现了假肢步态运动的主动控制，可以通过电机，球铰、滑块、丝杠螺母和丝杠等机构来实现假肢的背屈或者跖屈运动，满足人体正常行走的需求，弥补了被动型假肢不能做背屈或者跖屈运动的缺陷。
2.本发明的智能感知仿生足踝假肢系统及控制方法是实时采集数据，实时传输数据，实时整合数据，实时控制假肢做出相应动作的，而不是提前录入一种或几种步态数据，然后假肢只能实现这几种步态，肌电信号采集可以识别、解码人体运动意图，切换运动指令，同时声控开关可以方便假肢的开启和关闭，减少了假肢不必要的电量消耗，本发明的控制方法更能满足人体行走的各种情况。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为智能感知仿生足踝假肢模型主体结构图；
图2为智能感知仿生足踝假肢丝杠组件结构图；
图3为智能感知仿生足踝假肢滑块组件结构图；
图4为智能感知仿生足踝假肢底板结构展示图；
图5为智能感知仿生足踝假肢控制方法整体流程示意图；
图6为传感器固定在腿上的位置；
图7为本发明实例提供下的假肢控制系统示意图；
图8为智能感知仿生足踝假肢背屈运动示意图；
图9为智能感知仿生足踝假肢跖屈运动示意图；
附图标记：1.踝关节控制电机；2.阳四棱锥接头；3.支撑杆件；4.球头杆；5.后足缓冲弹簧；6.后脚掌缓冲板；
7.前足缓冲片；8.底板；9.滑块组件；10. 丝杠组件；11. 丝杠筒上盖板；12.丝杠筒支架；13.丝杠；14.丝杠螺母；15.轴承；16.丝杠筒底座；17.球铰；18.滑块；19.滑轨；20.踝部转轴。
实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“中”、“外”、“内”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明实施例提供了一种智能感知仿生足踝假肢系统，参照图1所示，包括足踝关节假肢实体，所述足踝关节假肢实体包括：踝关节控制电机1，阳四棱锥接头2，支撑杆件3，球头杆4，后足缓冲弹簧5；后脚掌缓冲板6；前足缓冲片7；底板8；滑轨19；踝部转轴20；滑块组件9；丝杠组件10。丝杠组件10包括丝杠筒上盖板11；丝杠筒支架12；丝杠13；丝杠螺母14；轴承15；丝杠筒底座16；滑块组件9包括球铰17；滑块18。
前足缓冲片7位于底板8前下侧，后足缓冲弹簧5位于底板8后下侧，后脚掌缓冲板6与后足缓冲弹簧5连接，位于最下侧。踝部转轴20与底板8连接，球头杆4与踝部转轴20连接，分布于底板两边后侧。踝关节控制电机1位于丝杠筒支架上方12，丝杠13与丝杠螺母14和踝关节控制电机1相连，位于丝杠筒支架12内，球铰17分别与丝杠螺母14和滑块19相连，位于丝杠筒支架前方。
本实施例提供一种智能感知仿生足踝假肢系统的运动方式是：假肢上的的阳四棱锥接头2与小腿连接；机构中的后足缓冲弹簧5连接底板8和后脚掌缓冲板6，前足缓冲片7与底板8连接，起到缓冲作用，在步态周期中，背屈运动结束时后脚掌先着地后足缓冲弹簧5储能并且前脚掌落地时前足缓冲片7也起到缓冲作用降低落地时的冲击力，减少使用者的不适感觉；球铰17、滑块18、丝杠螺母14和丝杠13是控制足踝关节背屈和跖屈运动的主要机构，踝关节控制电机1控制丝杠13的转动速度和方向，使得丝杠螺母14沿着丝杠13向上或向下做变速升降运动，丝杠螺母14与球铰17和滑块18连接，滑块18伴随丝杠螺母14的上下运动而沿着底板8的滑轨19做平移运动实现该足踝假肢的背屈和跖屈运动。
具体地，球头杆4上部带有螺纹，与支撑杆件3螺纹连接，可以在一定范围内调节足踝假肢实体的整体高度，以适应不同的使用者，同时也解决了健康侧脚鞋子高度的变化而带来的高度变化。
具体地，球头杆4因其自身的结构和功能还能防止运动时出现侧翻等问题，更好的保证协调性，让使用者在行走时变得更平稳。
具体地，前足缓冲片7设计为弧形，因人的脚掌具有一定的韧性，且运动时脚背与脚趾之间存在角度的变化，故弧形前足缓冲片满足假肢弹性的需求，较市面上的一块钢板作为假肢前部更符合人体脚部运动规律。
本实施例还提供一种智能感知仿生足踝假肢控制方法，参照图7所示，健康小腿和脚上的陀螺仪传感器监测健康脚的运动数据，主要是通过陀螺仪的姿态解算算法获得脚的姿态，将数据通过蓝牙无线传输到实体假肢控制器上，然后根据假肢腿运动的需求进行镜像控制实体足踝假肢。
具体地，在健康侧大腿肌肉上佩戴肌电传感器，实时采集大腿肌肉的肌电信号，识别、解码人体运动意图，如当前行走环境状态，如上下阶梯，上下坡等，切换运动指令，匹配相应踝关节输出力矩。
具体地，肌电传感器识别、解码人体运动意图，检测到不同环境运动状态，健康腿的步态数据采集、传输到控制器之后，假肢根据步态数据控制假肢实现镜像步态的控制，假肢侧传感器实时检测假肢位置，与目标位置进行实时比对，确保控制精准。
具体地，本实施例采用的4个陀螺仪传感器分别采集不同部位的运动数据，具体采集过程为：健康腿脚背和小腿上的陀螺仪传感器用于监测健康脚在运动过程中的角速度和脚加速度；足踝假肢脚背和小腿上的陀螺仪传感器用于监测假肢脚踝在运动过程中的转动角度和角加速度。
具体地，假肢上的陀螺仪传感器用于闭环控制的反馈环节。将采集到的假肢姿态角度信号与健康肢姿态角度信号进行比对，从而得到偏差信号，通过PID算法处理，最终输出相应的控制信号，对假肢动实现精确控制。
具体地，PID控制算法为结合比例、积分和微分三种控制环节于一体的控制算法，它是连续系统中技术最为成熟、应用最为广泛的一种控制算法，PID控制的实质就是根据输入的偏差值，按照比例、积分、微分的函数关系进行运算，运算结果用以控制输出。
更具体地，本发明基于智能感知仿生足踝假肢系统及控制方法的实质是“左脚学习右脚”的过程。残疾人穿戴本发明的实体足踝假肢后，只需要在健康腿脚背和小腿位置，假肢脚背和小腿位置分别固定一个陀螺仪传感器以及一个蓝牙传输模块。当健康脚运动时，其上的传感器会将健康脚的运动数据通过蓝牙模块无线传输到实体假肢控制器，进行控制足踝假肢运动的控制指令转化，足踝假肢运动的控制指令开始执行控制假肢脚踝做出与健康脚踝镜像的动作。
需要说明的是，与传统足踝假肢相比，本发明的基于主动学习型足踝关节假肢仿生系统实现了足踝假肢步态的主动控制，能够调节假肢完成不同步态，更符合人体行走的需求；本发明基于主动学习型足踝关节假肢仿生系统的控制方法实现了假肢步态的实时变化控制，本发明足踝假肢可以根据患者健康脚的运动实时调整，镜像运动，使足踝假肢的运动更加符合人体运动规律。
Claims (10)
1.一种智能感知仿生足踝假肢系统，其特征在于，包括：足踝关节假肢实体，所述足踝关节假肢实体包括：阳四棱锥接头，支撑杆件，底板，柔性缓冲组件，足踝部组件以及踝关节控制组件；
所述柔性缓冲组件，其包括前足缓冲片，后足缓冲弹簧和后脚掌缓冲板，所述前足缓冲片位于底板前下侧，所述后足缓冲弹簧位于底板后下侧，所述后脚掌缓冲板与后足缓冲弹簧连接，位于最下侧；
所述足踝部组件，其包括左右两个球头杆和踝部转轴，所述踝部转轴与底板连接，所述两个球头杆与踝部转轴连接，分布于底板两边后侧；
所述踝关节控制组件，其包括丝杠组件和滑块组件，丝杠组件包括踝关节控制电机、丝杠筒支架、丝杠螺母和丝杠，滑块组件包括球铰、滑块，所述踝关节控制电机位于丝杠筒支架上方，所述丝杠与丝杠螺母和踝关节控制电机相连，位于丝杠筒支架内，所述球铰分别与丝杠螺母和滑块相连，位于丝杠筒支架前方。
2.根据权利要求1所述踝关节控制组件，其特征在于，踝关节控制电机、球铰、滑块、丝杠螺母和丝杠是控制足踝关节背屈和跖屈运动的主要机构，电动机控制丝杠的转动速度和方向，使得螺母沿着丝杠向上或向下做变速升降运动，螺母与球铰和滑块连接，滑块伴随螺母的上下运动而沿着底板的滑轨做平移运动。
3.根据权利要求2所述足踝部组件，其特征在于，两球头杆上部带有螺纹，与支撑杆件螺纹连接。
4.根据权利要求1所述前足缓冲片，其特征在于，前足缓冲片设计为弧形。
5.一种智能感知仿生足踝假肢控制方法，其特征在于，基于如权利要求1-3中任意一项所述的智能感知仿生足踝假肢系统，包括：
数据采集步骤：假肢使用者健康的一条腿佩戴陀螺仪传感器，用来实时采集不同步态，不同环境下健康的那条腿的步态信息，假肢脚背与小腿上的陀螺仪传感器用来监测假肢运动的实际情况，健康侧大腿佩戴肌电传感器，用于运动意图的识别，解码；
数据整合步骤：根据陀螺仪传感器和肌电传感器实时采集的健康腿的步态信息，通过实体假肢控制器进行数据整合，转换，输出可以让假肢实现与健康腿相适应、镜像的步态动作的控制指令；
假肢实际控制步骤：当人体想要走动时，通过肌电传感器智能识别人体运动意图，匹配相应行走环境下踝关节假肢所需的输出力矩，下肢假肢控制器接收到健康腿上陀螺仪传感器的信号输入，利用实体控制器实时输出踝关节的动作指令，实现踝关节假肢步态与健康腿的步态相适应的控制。
6.根据权利要求4所述的智能感知仿生足踝假肢控制方法，其特征在于，在健康侧大腿肌肉上佩戴肌电传感器，实时采集大腿肌肉的肌电信号，识别、解码人体运动意图，如上下阶梯，上下坡等行走环境。
7.根据权利要求5所述的智能感知仿生足踝假肢控制方法，其特征在于，在患者健康的那条腿脚背和小腿上，假肢脚背和小腿上分别固定一个陀螺仪传感器。
8.根据权利要求6所述的智能感知仿生足踝假肢系统及控制方法，其特征在于，所述采集数据步骤中的数据为健康的那条腿在不同步态下踝关节的角度和角速度信息，所述的步态信息包括健康腿部不同步态下踝关节的角度和角速度。
9.根据权利要求4所述的智能感知仿生足踝假肢系统的信息传输方法，其特征在于，所述采集健康腿的步态信息数据由一组蓝牙模块传输到实体假肢控制器上。
10.根据权利要求4所述的智能感知仿生足踝假肢系统及控制方法，其特征在于，肌电传感器识别、解码人体运动意图，检测到要运动时，健康腿的步态数据采集、传输到控制器之后，假肢根据步态数据控制假肢实现镜像步态的控制，假肢侧传感器实时检测假肢位置，与目标位置进行实时比对，确保控制精准。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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