CN202875542U

CN202875542U - 一种动力型假肢膝关节

Info

Publication number: CN202875542U
Application number: CN 201220557321
Authority: CN
Inventors: 杨鹏; 刘作军; 陈玲玲; 耿艳丽; 刘磊
Original assignee: Hebei University of Technology
Current assignee: Hebei University of Technology
Priority date: 2012-10-29
Filing date: 2012-10-29
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2022-10-29

Abstract

本实用新型公开一种动力型假肢膝关节，包括残肢髋关节、大腿残肢假肢接受腔、假肢膝关节、假肢小腿管和假脚，其特征在于该膝关节还包含陀螺仪传感器模块、加速度传感器模块、足底压力传感器模块、单片机模块和驱动电机模块；所述单片机模块的模拟量输入端口分别于与陀螺仪传感器模块的一路传感器信号接口和加速度传感器模块的两路信号接口相连接，其数字量输入端口分别与足底压力传感器模块的两路传感器信号接口相连接，其数字量输出端口分别与驱动电机模块的两路控制信号接口相连接；单片机模块通过对各传感器信号的综合分析，控制假肢膝关节的运动。

Description

一种动力型假肢膝关节

技术领域

本实用新型涉及人体假肢技术，具体为一种动力型假肢膝关节，该膝关节具有运动模式感知功能，可对下肢不同行走模式进行有效的识别，进而实现对下肢假肢系统的人机协调运动控制。

背景技术

假肢膝关节是截肢者重要的运动功能代偿装置。安装假肢膝关节可以恢复患者残缺肢体原有的形态或功能,减轻功能障碍,使患者能够独立地生活、学习和工作。目前进入市场的主要有单轴膝关节、多轴膝关节、带锁定器膝关节、承重自锁膝关节、液压或气压控制膝关节、智能型的假肢膝关节和仿生膝关节等，在一定程度上满足了假肢穿戴者的要求。但是以上的假肢膝关节均为“被动式”假肢，不包括或不具有帮助人行走的动力机构，不能主动上下楼梯，关节的屈曲依赖于残肢，伸展也是靠机械式储能的释放来实现的，这就在很大程度上限制了残疾人的运动能力。例如，中国专利申请200480040062.X号文献报道的“假肢膝关节”就是典型的被动式多轴膝关节，它加入了抵抗弯曲的锁止装置，增加了站立和坐下的稳定性，但是在行走时仍然靠截肢者残端带动假肢弯曲和伸展，长时间行走会使穿戴者产生疲劳感。中国专利申请99255918.9号文献报道的“改进的膝关节”也为被动式单轴膝关节。该假肢装有缓冲装置，在膝关节转动时，可以实现逆时针快速旋转和顺时针缓慢旋转，解决了行走不方便和不安全的问题，但在行走过程中该假肢也没有提供行走的动力，并且单轴膝关节设计不能保证站立时的稳定性。中国实用新型专利ZL200910068093.0号文献虽然报道了一种“主动式人腿假肢”，它可为假肢膝关节的运动提供驱动力，但该假肢膝关节没有人体运动信息检测装置，不具备人体运动模式判断功能，因此不能实现假肢运动的人机协调控制。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型拟解决的技术问题是，提供一种动力型假肢膝关节，该膝关节具有运动模式感知功能，采用接受腔上安装的陀螺仪传感器、加速度传感器和足底安装的压力传感器，并以单片机为控制核心，针对人体运动的随机性和单一传感器检测信息存在偏差及误判断的可能，综合运用模板法和投票法两种现有的传感器融合方法，通过对传感器参数的模式归类，并在出现矛盾判断时结合历史数据进行传感器之间的投票判定，对下肢不同行走模式进行有效的识别，进而实现对动力型下肢假肢系统的人机协调运动控制。

本实用新型解决所述技术问题的技术方案是，设计一种动力型假肢膝关节，包括残肢髋关节、大腿残肢假肢接受腔、假肢膝关节、假肢小腿管和假脚，其特征在于该膝关节还包含陀螺仪传感器模块、加速度传感器模块、足底压力传感器模块、单片机模块和驱动电机模块；所述陀螺仪传感器模块包括陀螺仪传感器及陀螺仪信号调理电路，安装在大腿残肢假肢接受腔外面的正前方，位于残肢髋关节和假肢膝关节的中间位置上；加速度传感器模块包括加速度传感器及加速度传感器信号调理电路，安装在接受腔的外侧面，位于残肢髋关节和假肢膝关节之间位置上；足底压力传感器模块由前足底压力传感器和后足底压力传感器组成，分别安装在假脚的前、后脚掌中心；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上；单片机模块主要由单片机芯片、最小系统基本电路、模拟量输入接口电路、开关量输入接口电路和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低于所述驱动电机模块下方的位置上；所述单片机模块的模拟量输入端口分别于与陀螺仪传感器模块的一路传感器信号接口和加速度传感器模块的两路信号接口相连接其数字量输入端口分别与足底压力传感器模块的两路传感器信号接口相连接，其数字量输出端口分别与驱动电机模块的两路控制信号接口相连接；单片机模块通过对各传感器信号的综合分析，控制假肢膝关节的运动。

与现有技术相比，本实用新型的动力型假肢膝关节在已有动力型假肢膝关节的结构基础上，通过在假肢接受腔上安装陀螺仪传感器、加速度传感器和在足底安装的压力传感器，建立残肢侧运动信息采集模块，克服了系统单一传感器数据不足的缺陷；通过单片机检测的各传感器信息，利用传感器融合方法，计算出人体运动的步速，并实现对平地/上楼梯/下楼梯/上坡/下坡等典型路况的判别，判断得出人体的运动模式，以及脚跟触地/全足支撑/脚跟离地/摆动期等不同行走阶段的识别，根据不同情况控制驱动电机，提供动力，实现假肢膝关节与人体运动的协调控制。

附图说明

图1为本实用新型动力型假肢膝关节一种实施例的主体结构示意图；

图2为本实用新型动力型假肢膝关节一种实施例的前视结构示意图；

图3为本实用新型动力型假肢膝关节一种实施例的左视结构示意图；

图4为本实用新型动力型假肢膝关节一种实施例的整体结构和控制电路示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图进一步叙述本实用新型。

本实用新型设计的动力型假肢膝关节（简称膝关节，参见图1-3），包括残肢髋关节6、大腿残肢假肢接受腔7、假肢膝关节8、假肢小腿管9和假脚10，其特征在于该膝关节还包含陀螺仪传感器模块1、加速度传感器模块2、足底压力传感器模块3、单片机模块4和驱动电机模块5；

所述陀螺仪传感器模块1（简称模块1）包括陀螺仪传感器11及陀螺仪信号调理电路12两个部分，安装在大腿残肢假肢接受腔7（简称接受腔7）外面的正前方（即人体大腿的正前方），位于残肢髋关节6和假肢膝关节8的中间位置上；加速度传感器模块2（简称模块2）包括加速度传感器21及加速度传感器信号调理电路22两个部分，安装在接受腔7的外侧面（即人体大腿的外侧面），位于残肢髋关节6和假肢膝关节8之间位置上；足底压力传感器模块3（简称模块3）由前足底压力传感器31和后足底压力传感器32组成，分别安装在假脚10的前、后脚掌中心；驱动电机模块5（简称模块5）主要包括直流电机51及其正反转控制电路52两个部分，安装在假肢膝关节8与假肢小腿管9之间的位置上部；单片机模块4（简称模块4）主要由单片机芯片41、最小系统基本电路42、模拟量输入接口电路43、开关量输入接口电路44和开关量输出接口电路45组成，安装在假肢膝关节8与假肢小腿管9之间低于所述驱动电机模块5下方的位置上。

本实用新型膝关节所述的模块1用于测量和采集残肢运动的角度和角速度信号，具体包括陀螺仪传感器11及陀螺仪信号调理电路12两个部分。所测量的角速度信号在放大调理后，经模块4的模拟量输入接口电路43进行滤波稳压，与单片机芯片41的AI0端口连接，通过信号分析，可以得出残肢髋关节6的角速度和角度，进而计算得出人体运动的步速，并对平地/上楼梯/下楼梯/上坡/下坡等典型路况进行判别。

本实用新型膝关节所述的模块2用于测量和采集残肢运动的加速度，具体包括加速度传感器21及加速度传感器信号调理电路22两个部分。加速度传感器可分别测量出X轴方向的输出信号（X轴方向为人体前后方向，选人体运动的前方为X轴的正方向）和Y轴方向的输出信号（Y轴方向为人体运动的上下方向，选人体运动的上方为Y轴的正方向），所测量的两路加速度信号在放大调理后，经模块4的模拟量输入接口电路43进行滤波稳压，分别与单片机芯片41的AI1和AI2端口连接，通过信号分析，可以得出残肢髋关节运动的加速度，进而计算得出人体运动的步速及运动趋势。

本实用新型膝关节所述的模块3用于检测和采集假肢运动步态的阶段信息，具体包括前足底压力传感器31和后足底压力传感器32两个部分，分别安装在假脚10前、后脚掌足底中心处，所测量的两路足底压力信号经模块4的开关量输入接口电路44上拉处理后，与单片机芯片41的DI0和DI1端口连接，通过信号分析，可以得出脚跟触地/全足支撑/脚跟离地/摆动期等不同行走阶段的信息。

本实用新型膝关节所述的单片机模块4用于整个系统的信号分析与控制，主要包括具有计算处理功能的单片机芯片41、由电源、晶振、复位、开关所构成的最小系统基本电路（现有技术）42、模拟量输入接口电路43、开关量输入接口电路44和开关量输出接口电路45五个部分。模块4安装于假肢膝关节8与假肢小腿管9之间低于模块5的位置上。其模拟量输入端口AI0与模块1的传感器信号接口相连接，其模拟量输入端口AI1和AI2分别与模块2的两路传感器信号接口相连接，其数字量输入端口DI0和DI1分别与模块3的两路传感器信号接口相连接，其数字量输出端口DO0和DO1分别与模块5的两路控制信号接口相连接（参见图4）；所述模块4通过对各传感器信号的综合分析，控制假肢膝关节8的运动。

本实用新型膝关节所述的驱动电机模块5的功能是通过变速齿轮和蜗杆结构（现有技术）推动假肢膝关节8运动，具体还包括直流电机51及其正反转控制电路52组成。模块5安装于假肢膝关节8与假肢小腿管9之间的上部位置。所述的正反转控制信号分别与单片机模块4的DO0和DO1连接，可通过控制电机的正转和反转，经过变速齿轮和蜗杆结构，为假肢膝关节8的屈伸运动提供动力。

本实用新型未述及之处适用于现有技术。

本实用新型膝关节的运动原理和工作过程如下：本实用新型膝关节是在已有普通动力型假肢膝关节的基础上，在假肢接受腔7上设计安装陀螺仪传感器1、加速度传感器2，在假脚10底部安装足底压力传感器3，利用单片机模块4检测检测各传感器信息，根据传感器提取的特征值信息，经综合分析，实现对人体行走模式下运动意识的有效识别，根据假肢各个阶段的运动特性分步速、分路况、分步态驱动直流电机51，对动力型假肢膝关节8进行控制，主动实现与人体更协调的运动。

当佩戴假肢膝关节接受腔的残肢运动后，装配在假肢接受腔7上面的模块1产生髋关节6前后方向摆动的角速度信号和角度信号，加速度传感器模块2随着该运动产生残肢在X轴和Y轴方向的加速度信号，足底压力传感器模块3随着该运动给出支撑期和摆动期信息；单片机模块4对所获得的角速度信号、角度信号、加速度信号和足底压力信号进行综合分析，针对行走过程中因路面不平、人体振动等因素造成的单一信号检测偏差以及由此而引起的运动状态判断错误，采用对传感器参数的模式归类的模板法进行传感器融合（现有技术）；对于出现矛盾判断的情况，则结合历史数据进行各传感器判断结果之间的投票判定（现有技术），即可实现对人体行走模式的有效识别,分步速、分路况、分步态驱动直流电机模块5实现对动力型假肢膝关节8的人机协调控制。

Claims

1.一种动力型假肢膝关节，包括残肢髋关节、大腿残肢假肢接受腔、假肢膝关节、假肢小腿管和假脚，其特征在于该膝关节还包含陀螺仪传感器模块、加速度传感器模块、足底压力传感器模块、单片机模块和驱动电机模块；所述陀螺仪传感器模块包括陀螺仪传感器及陀螺仪信号调理电路，安装在大腿残肢假肢接受腔外面的正前方，位于残肢髋关节和假肢膝关节的中间位置上；加速度传感器模块包括加速度传感器及加速度传感器信号调理电路，安装在接受腔的外侧面，位于残肢髋关节和假肢膝关节之间位置上；足底压力传感器模块由前足底压力传感器和后足底压力传感器组成，分别安装在假脚的前、后脚掌中心；驱动电机模块主要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上；单片机模块主要由单片机芯片、最小系统基本电路、模拟量输入接口电路、开关量输入接口电路和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低于所述驱动电机模块下方的位置上；所述单片机模块的模拟量输入端口分别于与陀螺仪传感器模块的一路传感器信号接口和加速度传感器模块的两路信号接口相连接，其数字量输入端口分别与足底压力传感器模块的两路传感器信号接口相连接，其数字量输出端口分别与驱动电机模块的两路控制信号接口相连接；单片机模块通过对各传感器信号的综合分析，控制假肢膝关节的运动。