CN202154772U - 用脚趾触发上假肢多自由度运动的控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用脚趾触发上假肢多自由度运动的控制系统，它是由脚趾触发信号模块、信号处理模块、提示模块和驱动模块组成。使脚趾以约定的方式按压信号发生器发出电压信号；信号采集与预处理单元采集该电压信号并进行预处理，并将预处理结果发给提示模块；根据提示模块结果在指令确认单元中确认脚趾发出的电压信号；然后信号处理模块中的动作识别单元根据预处理结果识别出电压信号对应的动作指令；驱动模块根据动作指令驱动上假肢完成设定动作。本实用新型可通过完整的脚趾发出信号操作假肢完成各种动作，相对于肌电信号控制和声控来说，隐蔽性好，抗干扰能力强、操作更方便。

Description

用脚趾触发上假肢多自由度运动的控制系统

技术领域

本实用新型涉及残疾人用的上假肢，尤其涉及上假肢的控制技术。

背景技术

目前，残疾人用的上假肢动作有几种仿生控制源方式。如，人体自身的脑电信号、神经电信号、肌电信号、脑磁信号和声音信号等。其中，利用脑电信号、神经电信号、脑磁信号进行上假肢控制的研究仍处于实验室阶段。

利用肌电信号实现对上假肢的控制是基于肌电信号和动作的对应性及其良好的重复性。对肌电信号进行模式识别的准确率决定着对上假肢控制的效果。在实际应用中，当截肢患者的残肢太短，或者因瘫痪而导致肌肉萎缩时，就不能提供足够的肌电上假肢所需要的控制信息。同时，肌肉的疲劳、电极位置的改变、体重的波动等都会使肌电信号的特征值发生变化而降低对肌电信号模式识别的准确率。

与其他控制上假肢的方式相比，声控方式更方便，精度也更高，但在需要保持肃静的场合使用就不适宜，而且上假肢佩戴者与别人进行语言交流时也可能导致假肢产生误动作。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有的仿生控制信号源在上假肢控制中存在的不足，提出一种抗干扰能力强、隐蔽性好、操作方便的新型多自由度上假肢控制系统。

一种用脚趾触发上假肢多自由度运动的控制系统：它是由脚趾触发信号模块，信号处理模块，提示模块和驱动模块组成；其中：

1、所述的脚趾触发信号模块由信号发生器、放大电路和电压比较器构成；脚趾触发信号模块能将脚趾施加的压力信号生成电压信号，电压信号经放大和比较后送入信号处理模块进行处理；

2、所述的信号处理模块包括以下单元：信号采集与预处理单元、指令确认单元和动作识别单元；其中

1)信号采集与预处理单元是用于实时接收由脚趾触发信号模块发送来的信号并进行预处理的单元；

2)指令确认单元是用于存储信号采集与预处理单元发送来的预处理结果并允许佩带者决定是否删除该预处理结果的单元。

3)动作识别单元是根据预处理结果识别出相应的动作指令并将该动作指令送入驱动模块的单元；

3、所述的提示模块是用于实时提示信号采集与预处理单元的预处理结果的模块；

4、所述的驱动模块包括驱动器和驱动假肢动作的电机；当驱动器接收到信号处理模块发送来的动作指令时，便控制电机运转，完成上假肢相应的设定动作。

本实用新型假肢控制系统采用脚趾按压出的电压信号作为控制假肢的信号源，通过采集到的电压信号识别出相应的动作指令，控制上假肢做出期望的动作。具体地讲：包括如下步骤：

第一步：脚趾以约定的方式按压脚趾触发信号模块中的信号发生器发出电压信号；

第二步：信号处理模块中的信号采集与预处理单元采集该电压信号并进行预处理，并将预处理结果发给提示模块；

第三步：根据提示模块结果在指令确认单元中确认脚趾发出的电压信号；

第四步：确认电压信号正确之后，信号处理模块中的动作识别单元根据预处理结果识别出电压信号对应的动作指令；

第五步：驱动模块根据动作指令驱动上假肢完成设定动作。

这种控制方法隐蔽性强，控制方便，而且根据脚趾按压信号发生器的压力大小和持续时间，可以产生多种不同的特征，从而完成更多的控制功能。

本实用新型的优点在于，上肢残疾者可通过完整的脚趾发出信号操作假肢完成各种动作，相对于肌电信号控制和声控来说，隐蔽性好，抗干扰能力强、操作更方便。

附图说明

图1为本实用新型实施例的总体框图；

图2为脚趾触发信号模块100的内部框图；

图3为信号处理模块的内部框图；

图4为驱动模块的内部框图；

图5为”开/关机”指令的U_I、F与T关系图；

图6为“取消”指令的U_I、F与T关系图；

图7为脚趾触发信号模块输出“长”高电平U_OHL时的U_I、F与T关系图；

图8为脚趾触发信号模块输出“短”高电平U_OHS时的U_I、F与T关系图；

图9为脚趾触发信号模块输出低电平U_OL时的U_I、F与T关系图；

图10为工作过程流程图。

图中：100-脚趾触发信号模块，200-信号处理模块，300-驱动模块，400-提示模块，101-信号发生器，102-放大电路，103-窗口电压比较器，104-门限电压比较器，201-信号采集与预处理单元，202-指令确认单元，203-动作识别单元，301-驱动器，302-电机。

具体实施方式

下面根据附图对本实用新型的实施例进一步说明。

本实用新型采取以下技术方案，如图1所示：它是由脚趾触发信号模块100、信号处理模块200、驱动模块300和提示模块400组成；

如图2所示，所述的脚趾触发信号模块100由信号发生器101、放大电路102、窗口电压比较器103和门限电压比较器104构成，脚趾触发信号模块100将信号发生器101产生的电压信号经放大电路102放大，再经过窗口电压比较器103和门限电压比较器104进行电压比较，然后分别送入信号处理模块200中。

信号发生器101可采用薄膜式压电传感器或者贴片式压电传感器，可将压电传感器放在佩戴者脚趾部位。

脚趾触发信号模块100的工作原理是，如图2所示：通过脚趾按压的方式使压电传感器输出电压信号U_i，U_i的大小与脚趾按压压电传感器的压力F成正比。输出的电压信号U_i经过放大电路102得到电压信号U_I，将该电压信号送入窗口电压比较器103和门限电压比较器104。

设定窗口电压比较器103的两个阈值电压值为U_Tmin和U_Tmax且U_Tmin＜U_Tmax。两个阈值电压值U_Tmin和U_Tmax分别对应用脚趾按压压电传感器的压力值F_Tmin和F_Tmax。如图7、图8所示，当U_Tmin＜U_I＜U_Tmax时，对应F_Tmin＜F＜F_Tmax，此时窗口电压比较器103输出一个高电平U_OH；如图9所示，当U_I＜U_Tmin时，对应F＜F_Tmin，窗口电压比较器103输出一个低电平U_OL；当U_I＞U_Tmax时，对应F＞F_Tmax，窗口电压比较器103输出一个低电平U_OL。

设定门限电压比较器104的阈值电压U_Tmax。阈值电压值U_Tmax对应用脚趾按压压电传感器的压力值F_Tmax。如图5、图6所示，当U_I＞U_Tmax时，对应F＞F_Tmax，认定门限电压比较器104输出一个高电平U_GH；当U_I＜U_Tmax时，对应F＜F_Tmax认定门限电压比较器104输出一个低电平U_GL。

如图3所示，所述的信号处理模块200包括信号采集与预处理单元201、指令确认单元202和动作识别单元203。

信号处理模块200的工作步骤是：信号采集与预处理单元201实时监测窗口电压比较器103送来的高电平U_OH的持续时间，根据检测到的高电平U_OH的持续的时间长短可以得到“长”高电平U_OHL和“短”高电平U_OHS两种信号。根据“长”高电平U_OHL和“短”高电平U_OHS两种信号的顺序组合可以表示不同的指令。信号采集与预处理单元201每检测到一次“长”高电平U_OHL就在指令确认单元202中写入“1”并将数字“1”送入提示模块400，每检测到一次“短”高电平U_OHS就在指令确认单元202中写入“0”并将该数字“0”送入提示模块400。对应上假肢的每次动作需在指令确认单元中写入N个二进制数字“1”和“0”的顺序组合。发现当前二进制数字有误时，在规定时间内(优选在1500毫秒内)迅速按压出“取消”指令，当前二进制数字被删除出指令确认单元202；当指令确认单元202中写满N位二进制数字时将这N位二进制数字作为预动作指令送入动作识别单元203。动作识别单元203采用模板匹配法对预动作指令进行模板匹配，根据模板匹配结果输出相应的动作指令到驱动模块300，实现对上假肢的控制。根据N的大小可以产生2^N个预动作指令。

优选地约定N＝5，这样就可以得到2⁵＝32条预动作指令。

另外信号采集与预处理单元201还实时监测门限电压比较器104送来的高电平U_GH的持续时间，根据检测到的高电平U_GH的持续的时间长短可以得到“取消”、“开机”、“关机”三种信号。

优选地约定，若信号采集与预处理单元201实时监测到的由窗口电压比较器103送来的高电平U_OH的持续时间在600毫秒到2000毫秒之间，即600＜T4-T3＜2000(见图7)，则认为是“长”高电平U_OHL，若高电平U_OH持续时间在100毫秒到600毫秒之间，即100＜T4-T3＜600(见图8)，则认为是“短”高电平U_OHS。

在假肢处于关机状态时，优选地约定当信号采集与预处理单元201实时监测到的由门限电压比较器104送来的高电平U_GH的持续时间超过5000毫秒时也即F＞F_Tmax并持续时间5000毫秒也即T2-T1＞5000(见图5)，认为是“开机”信号，动作识别单元203开始进入工作状态，整个假肢控制系统即进入工作状态。

在假肢处于工作状态时，优选地约定当信号采集与预处理单元201实时监测到的由门限电压比较器104送来的高电平U_GH的持续时间超过5000毫秒时也即F＞F_Tmax并持续时间5000毫秒，也即T2-T1＞5000(见图5)，认为是“关机”信号，动作识别单元203停止工作，整个假肢控制系统即进入关机状态。

在假肢处于工作状态时，优选的约定当信号采集与预处理单元201实时监测到的由门限电压比较器104送来高电平U_GH时，也即F＞F_Tmax认为是“取消”指令。“取消”指令的作用一是用来随时删除预处理结果；二是在上假肢运动时，使得信号处理模块200立即输出一个停止信号给驱动模块300，停止上假肢的运动。

如图4所示，所述的驱动模块300包括驱动器301和电机302。当驱动器301接收到信号处理模块200发送来的驱动信号时，则控制上假肢完成相应的设定动作。

根据上述技术方案，结合一个控制上假肢的手指闭合的例子，可以得出如下日常时一个完整工作过程，这里假定上假肢的“手指闭合”的控制指令为10001，即这里的N＝5(一条控制指令为5位)。

1、当假肢佩戴者想要对上假肢进行操作时，发出“开机”信号即假肢佩戴者可以刻意通过脚趾用力按压位于脚趾下方的压电传感器，使压力F＞F_Tmax且持续的时间超过5000毫秒，此时信号处理模块200中的动作识别单元203开始工作，也即整个系统开始工作。

2、那么当上假肢佩带者想要控制上假肢的“手指闭合”来实现抓取某个物体时，需用脚趾以F_Tmin＜F＜F_Tmax的压力按压压电传感器5次，并使这5次持续的时间分别在600毫秒到2000毫秒之间、100毫秒到600毫秒之间、100毫秒到600毫秒之间、100毫秒到600毫秒之间、600毫秒到2000毫秒之间。

3、假如脚趾每次按压压电传感器的压力和持续时间都在规定范围内，信号处理模块200中的信号采集与预处理单元201应该依次检测到U_OHL、U_OHS、U_OHS、U_OHS、U_OHL，指令确认单元202中依次写入的是“1”、“0”、“0”、“0”、“1”，并且在提示模块400中观察到的结果应该依次是“1”、“0”、“0”、“0”、“1”(这里的提示模块400可以采用佩戴在头部的显示屏，显示屏上实时显示数字“1”或“0”)。此时的10001就是想要的控制“手指闭合”的指令。假如有任何一次按压压电传感器的压力或持续时间不在规定范围内，则会出现不想要的结果，在观察提示模块400确认发生错误后，可以迅速以F＞F_Tmax的压力按压压电传感器，当前的数字被删除出指令确认单元202。

4、指令确认单元202中的10001作为预动作指令被送到动作识别单元203，动作识别单元203找到与10001对应的动作指令，并输出到驱动模块300，此时与手指对应的电机启动，实现“手指闭合”的动作，从而实现抓取的功能。

5、假如因为外部干扰等因素导致电机动作不符合要求，可以用脚趾迅速按压压电传感器，使其压力值F＞F_Tmax，发出“取消”指令，上假肢立即停止工作，实现紧急制动的功能。

6、当夜晚睡觉或者暂时不需要上假肢做出动作时，可以用脚趾按压压电传感器，使其压力值F＞F_Tmax超过5000毫秒，则发出“关机”信号，使控制系统进入关机状态。此时系统处于等待“开机”信号。

上述上假肢控制系统的工作过程可归纳出如下控制方法，如图10所示：

步骤S1，开机。当假肢佩戴者想要对上假肢进行操作时，首先按压出“开机”信号。在本实施例中“开机”信号的产生方法是刻意通过脚趾用力按压位于脚趾下方的压电传感器，使压力F＞F_Tmax持续的时间超过5000毫秒即使T2-T1＞5000，此时信号处理模块200中的动作识别单元203开始工作。通常站立或行走时可刻意使得压力F＞F_Tmax的持续时间不要超过5000毫秒，即不会出现T2-T1＞5000的情况，这样就不会产生“开机”信号，动作识别单元203就一直处于停止工作状态。

步骤S2，发生电压信号。通过脚趾以特定的方式按压安装在脚趾下的压电传感器来产生电压信号。在本实施例中，通过脚趾以F_Tmin＜F＜F_Tmax的压力按压压电传感器，若持续的时间在600毫秒到2000毫秒之间，即600＜T4-T3＜2000，则窗口电压比较器103输出“长”高电平；若持续时间在100毫秒到600毫秒之间，即100＜T4-T3＜600，则窗口电压比较器103输出“短”高电平。

步骤S3，采集信号与预处理。控制系统实时采集发生的电压信号并进行预处理。在本实施例中，信号处理模块200中的信号采集与预处理单元201实时监测由窗口电压比较器103和门限电压比较器104送来的高电平U_OH和U_GH的持续时间。若U_OH持续的时间在600毫秒到2000毫秒之间，即600＜T4-T3＜2000，则认为是“长”高电平U_OHL，并在指令确认单元202中写入“1”并将数字“1”送入提示模块400；若U_OH持续的时间在100毫秒到600毫秒之间，即100＜T4-T3＜600，则认为是“短”高电平U_OHS，并向指令确认单元202中写入“0”并将数字“0”送入提示模块400。

步骤S4，指令确认。在此步骤中判断写入指令确认单元202中的数字是否为想要的数字，并通过是否按压“取消”指令作出相应的处理。在本实施例中，检查提示模块400，若指令确认单元202送来的二进制数字有误时，及时发出“取消”指令，即以F＞F_Tmax的压力按压压电传感器，则该二进制数字被删除，此时信号采集与预处理单元201继续实时监测；若指令确认单元写满5位二进制数字时，指令确认单元202将该5位的二进制数字作为预动作指令送入动作识别单元203。

步骤S5，发出“取消”指令。用脚趾按压压电传感器，使其压力值F＞F_Tmax，发出“取消”指令，删除写入指令确认单元202的二进制数字。

步骤S6，输出动作指令。根据预动作指令，采用模板匹配法寻找相应的动作指令信号，并输出。在本实施例中，动作识别单元203采用模板匹配法对预动作指令进行模板匹配，根据模板匹配结果输出相应的动作指令到驱动模块300。

步骤S7，上假肢执行设定动作，并根据上假肢的动作判断是否要紧急制动。在本实施例中，驱动模块300根据信号处理模块200输入的驱动信号对上假肢进行相应的操作。若上假肢在执行某动作过程中出现异常，则执行S8。若上假肢在执行某动作过程正常，则执行S9。

步骤S8，发出“取消”指令。用脚趾按压压电传感器，使其压力值F＞F_Tmax，发出“取消”指令，上假肢立即停止工作。

步骤S9，执行完S7或S8步骤后，判断是否继续工作。若用脚趾按压压电传感器，使其压力值F＞F_Tmax超过5000毫秒，则发出“关机”信号，使控制系统进入关机状态；若不发出“关机”信号，则返回步骤S2，等待脚趾再次发出电压信号。

直至整机停止工作。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的一种具体实施方式，其描述较为具体详细，但并不能理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。

Claims (3)

1.一种用脚趾触发上假肢多自由度运动的控制系统：其特征在于，它是由脚趾触发信号模块、信号处理模块、用于实时提示预处理结果的提示模块和驱动模块组成；其中：

所述的脚趾触发信号模块由信号发生器、放大电路和电压比较器构成；通过脚趾触发信号模块能将脚趾施加的压力信号生成电压信号，电压信号经放大和比较后送入信号处理模块进行处理；

所述的信号处理模块包括以下单元：用于实时接收由脚趾触发信号模块发送来的信号并进行预处理的信号采集与预处理单元、用于存储信号采集与预处理单元发送来的预处理结果并允许佩带者决定是否删除该预处理结果的指令确认单元和根据预处理结果识别出相应的动作指令并将该动作指令送入驱动模块的动作识别单元；

所述的驱动模块包括用于控制电机运转的驱动器和驱动假肢动作的电机。

2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，它是由脚趾触发信号模块(100)、信号处理模块(200)、驱动模块(300)和提示模块(400)组成；其中：

所述的脚趾触发信号模块(100)由信号发生器(101)、放大电路(102)、窗口电压比较器(103)和门限电压比较器(104)构成；

所述的信号处理模块(200)包括信号采集与预处理单元(201)、指令确认单元(202)和动作识别单元(203)；

所述的驱动模块(300)包括驱动器(301)和电机(302)。

3.如权利要求1或2所述的控制系统，其特征在于，所述的信号发生器采用薄膜式压电传感器或者贴片式压电传感器。

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