CN209422174U - 一种融合视觉的动力假肢环境识别系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及医疗辅助设备技术领域，提供一种融合视觉的动力假肢环境识别系统，包括假肢本体、动力模块、运动感应模块、视觉探测模块以及控制模块，动力模块用以使假肢本体运动，运动感应模块用以获取假肢本体的状态信息，视觉探测模块用以获取假肢本体的周边环境信息，控制模块可通过获取的假肢本体的状态信息、假肢本体的周边环境信息判断人体周围的路况及障碍物信息，并预测假肢的运动趋势、判断人体的运动意图，由此控制动力模块使假肢本体合理运动，以辅助患者适应不同路况或跨越障碍物；该系统可在患者使用假肢的过程中，提前感知人体的运动意图并持续检测人体周围的路况环境，数据反馈实时性及稳定性强，便于患者使用。

Description

一种融合视觉的动力假肢环境识别系统

技术领域

本实用新型涉及医疗辅助设备技术领域，具体而言，是涉及一种融合视觉的动力假肢环境识别系统。

背景技术

数据显示，我国现有8000多万的残疾人士，其中超过30％为肢体残疾者。肢体残缺十分影响残疾人士的工作与生活，因此，能够解决残疾人士行动障碍问题的智能动力假肢正逐渐成为机器人领域的研究热点之一。目前，人体与假肢的信息交互主要基于生物信号、运动传感器信号、光电传感器或激光测距传感器等方式来实现，然而该些信息交互实现方式在实际应用中均具有一定的局限性，具体表现在：首先，基于生物信号，如脑电信号、肌电信号等，该方式在实际应用时存在数据信号的一致性较差、稳定性较差的问题；其次，基于运动传感器信号，如惯性传感器、编码器、压力计等，该类传感器相对成熟，方便集成，但数据反馈存在一定的滞后，很难有效捕捉肢体的当下运动意图；最后，基于光电传感器或激光测距传感器进行环境路况识别，上述两种方法虽使用了测距类的传感器，但仍然存在传感器信息过于单一、无法识别环境参数、患者使用不方便、患者静止站立时传感器无法识别前方环境等诸多问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种融合视觉的动力假肢环境识别系统，旨在解决现有技术中由于动力型假肢结构较简单，导致其无法满足患者适应不同路况、用户体验不佳的技术问题。

为达此目的，本实用新型采用的技术方案是：提供一种动力假肢环境识别系统，包括用于佩戴在患肢上的假肢本体以及设置在所述假肢本体上的下述模块：

动力模块，用以使所述假肢本体运动；

运动感应模块，用以获取所述假肢本体的状态信息；

视觉探测模块，用以获取所述假肢本体的周边环境信息；

控制模块，其分别与所述动力模块、所述运动感应模块以及所述视觉探测模块电连接；

所述假肢本体包括依序连接的大腿机构、小腿机构以及足部机构，所述动力模块包括位于所述大腿机构与小腿机构之间的膝关节驱动件和位于所述小腿机构与足部机构之间的踝关节驱动件。

进一步地，所述控制模块包括电路连接单元以及通过所述电路连接单元依序连接的信号预处理单元、信号算法处理单元和假肢运动控制单元，所述运动感应模块及所述视觉探测模块分别通过所述电路连接单元与所述信号预处理单元相连接，所述动力模块通过所述电路连接单元与所述假肢运动控制单元相连接。

进一步地，所述膝关节驱动件和踝关节驱动件分别为电磁感应式驱动件、液压式驱动件或气压式驱动件。

进一步地，所述运动感应模块包括角度传感器、压力传感器以及惯性传感器，所述角度传感器位于所述大腿机构与所述小腿机构之间和/或位于所述小腿机构与所述足部机构之间，所述压力传感器设于所述足部机构的底部，所述惯性传感器设于所述大腿机构、所述小腿机构或所述足部机构。

进一步地，所述假肢本体包括相互连接的小腿机构和足部机构，所述动力模块包括踝关节驱动件，所述踝关节驱动件位于所述小腿机构与足部机构之间且用于使所述足部机构相对所述小腿机构转动。

进一步地，所述视觉探测模块包括至少一个视觉传感器。

进一步地，所述视觉传感器为一个，该视觉传感器设置在所述小腿机构的前端且用以获取所述小腿机构前方预设距离内的物体的位置信息。

进一步地，所述视觉传感器为基于时间飞行技术的深度相机。

进一步地，所述预设距离为3.5m～4.5m。

进一步地，所述电路连接单元为导电线缆和/或无线通讯单元。

本实用新型提供的动力假肢环境识别系统的有益效果在于：与现有技术对比，本实用新型提出的一种融合视觉的动力假肢环境识别系统，包括假肢本体、动力模块、运动感应模块、视觉探测模块以及控制模块，动力模块用以使假肢本体运动，运动感应模块用以获取假肢本体的状态信息，视觉探测模块用以获取假肢本体的周边环境信息，控制模块可通过获取的假肢本体的状态信息、假肢本体的周边环境信息判断人体周围的路况及障碍物信息，并预测假肢的运动趋势、判断人体的运动意图，由此控制动力模块使假肢本体合理运动，以辅助患者适应不同路况或跨越障碍物；该系统可在患者使用假肢的过程中，提前感知人体的运动意图并持续检测人体周围的路况环境，数据反馈实时性及稳定性强，便于患者使用。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的动力假肢环境识别系统的平面示意图；

图2为本实用新型实施例提供的动力假肢环境识别系统的结构示意图。

其中，图中各附图标记：

1：假肢本体 11：大腿机构

12：小腿机构 13：足部机构

2：动力模块 21：膝关节驱动件

22：踝关节驱动件

3：运动感应模块 31：角度传感器

32：压力传感器 33：惯性传感器

4：视觉探测模块

5：控制模块 51：电路连接单元

52：信号预处理单元 53：信号算法处理单元

54：假肢运动控制单元

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

实施例一

如图1及图2所示，本实施例提供的一种动力假肢环境识别系统，包括用于佩戴在患肢上的假肢本体1以及设置在假肢本体1上的动力模块2、运动感应模块3、视觉探测模块4和控制模块5；其中，动力模块2用以使假肢本体1运动，即假肢本体1能够在动力模块2的驱动下完成某些预设动作，从而支配和辅助患者跨越斜坡、楼梯、障碍物、坑洼等障碍或保持正常行进；运动感应模块3用以获取假肢本体1的状态信息，此处的状态信息可指假肢本体1与地面之间的交互力信息、假肢各个关节的角度信息和假肢本体1的位姿信息；视觉探测模块4用以获取假肢本体1的周边环境信息，在本实施例中，周边环境信息指的是假肢本体1周边不同物体与假肢本体1之间的距离信息，当然，不同的视觉探测模块4能够探测不同的周边环境信息，可根据实际需要进行调用和设置；控制模块5，包括电路连接单元51以及通过电路连接单元51依序连接的信号预处理单元52、信号算法处理单元53和假肢运动控制单元54，运动感应模块3及视觉探测模块4分别通过电路连接单元51与信号预处理单元52相连接，动力模块2通过电路连接单元51与假肢运动控制单元54相连接，具体各部分连接关系请参阅图2；需要说明的是，电路连接单元51实现了上述不同单元和模块之间的硬件电气连接，电路连接单元51可为导电线缆和/或无线通讯单元，即不同单元及模块之间的连接可均为线缆连接，也均可采用无线连接，当然也可既采用有线式连接，又采用无线式连接，此处不作唯一限定；另外，电路连接单元51不仅能够用于连接上述动力模块2、运动感应模块3、视觉探测模块4和控制模块5，还可为各模块、单元提供电源供给，具体实现方式此处不作唯一限定；这样，电路连接单元51即可将获取的假肢本体1的状态信息、假肢本体1的周边环境信息传送至信号预处理单元52，信号预处理单元52可对该些信息进行放大、滤波、筛选、同步等处理，并将预处理数据传递至信号算法处理单元53，信号算法处理单元53可提取信号中的特征，并根据提取的特征判断人体周围的路况及障碍物信息，预测假肢的运动趋势并判断人体的运动意图，而后假肢运动控制单元54获取信号算法处理单元53的运算结果，调整假肢控制模式，并发送指令至动力模块2从而使假肢本体1适应不同路面或障碍物；该系统可在患者使用假肢的过程中，提前感知人体的运动意图并持续检测人体周围的路况环境，数据反馈实时性及稳定性强，患者使用更为轻松和方便，用户体验佳。

具体地，控制模块5工作流程为：信号预处理单元52对上述视觉探测模块4、运动感应模块3的原始信号做了初步处理，处理操作包括信号的放大、信号的滤波、信号的筛选、不同传感器之间的信号同步；信号算法处理单元53对信号预处理单元52反馈的信号特征进行提取，并根据提取的特征判断人体周围的路况及障碍物信息，同时，预测假肢本体1的运动趋势并判断人体的运动意图；假肢运动状态控制模块5根据上述信号算法处理单元53提供路况信息、障碍物信息、假肢运动趋势、人体运动意图实时调整假肢的控制模式，并控制假肢本体1上的动力模块2实现合理的运动，以辅助人体适应不同路况或跨越障碍物；上述控制模块5中，信号预处理单元52、信号算法处理单元53和假肢运动控制单元54可由多个处理器实现，也可分别由单个处理器实现，此处不作唯一限定；需要说明的是，上述周边环境信息，即视觉探测模块4可探测的路况包括平坦的平地、坑洼的平地、上楼梯、下楼梯、上斜坡、下斜坡，且上述动力模块2支配假肢本体1能够跨越的障碍物可高于地面，也可低于地面，具体实现方式此处不作唯一限定。

进一步地，请参阅图1，假肢本体1包括依序连接的大腿机构11、小腿机构12以及足部机构13，动力模块2包括膝关节驱动件21和踝关节驱动件22，膝关节驱动件21位于大腿机构11与小腿机构12之间且用于使小腿机构12相对大腿机构11转动，踝关节驱动件22位于小腿机构12与足部机构13之间且用于使足部机构13相对小腿机构12转动；更进一步地，膝关节驱动件21和踝关节驱动件22分别为电磁感应式驱动件、液压式驱动件或气压式驱动件。

进一步地，请一并参阅图1和图2，运动感应模块3包括角度传感器31、压力传感器32以及惯性传感器33，其中，角度传感器31位于大腿机构11与小腿机构12之间和/或位于小腿机构12与足部机构13之间，即角度传感器31可用于检测大腿机构11与小腿机构12之间所呈的角度信息，也可用于检测小腿机构12与足部机构13之间所呈的角度信息，当然也可通过设置不同的角度传感器31使得以上二者角度信息均可测，此处不作唯一限定；压力传感器32可设于足部机构13的底部，惯性传感器33设于大腿机构11、小腿机构12或足部机构13，可选地，惯性传感器33设于小腿机构12上，优选地，惯性传感器33设于小腿机构12的后端；上述三种传感器可分别采集关节角度信息、足底压力信息、假肢位姿信息，并将信息反馈至上述控制模块5，以预测假肢本体1的运动趋势，进而预测人体的运动意图，该系统数据反馈实时性及稳定性强，便与患者尽快适应不同路面，并更加轻松地跨越障碍物，用户体验佳。

进一步地，视觉探测模块4包括至少一个视觉传感器；具体地，视觉探测模块4可使用不同类型的视觉传感器且传感器的安装位置可灵活调整；传感器类型可为以下几种：基于结构光的深度摄像头模组、基于双目测距原理的双摄像头、基于时间飞行原理的深度摄像头、单个普通彩色摄像头或基于激光扫描原理的深度传感器；上述的传感器共同特征为：视角宽阔，可探测到人体前方不同角度、不同高度的路况或障碍物信息，信息的数据量(即视觉传感器的分辨率)可根据需求灵活调整；视觉传感器的安装位置十分灵活，可安装在假肢本体1的膝关节、踝关节、小腿机构12、足部机构13的脚尖、足部机构13的脚面上等；在本实施例中，请参阅图1，视觉传感器为一个，且该视觉传感器设置在小腿机构12的前端且用以获取小腿机构12前方预设距离内的物体的位置信息，该预设距离可选为3.5m～4.5m，优选为4m；进一步地，视觉传感器为基于TOF(Time of Flight，时间飞行)技术的深度相机，上述的视觉传感器获取的位置信息即为小腿机构12前方不同物体的深度信息。

实施例二

下面结合附图2仅就与前述实施例中不同之处作详细说明。

在本实施例中，假肢本体1包括相互连接的小腿机构12和足部机构13，动力模块2包括踝关节驱动件22，踝关节驱动件22位于小腿机构12与足部机构13之间且用于使足部机构13相对小腿机构12转动；更进一步地，踝关节驱动件22为电磁感应式驱动件、液压式驱动件或气压式驱动件；且在本实施例中，运动感应模块3包括角度传感器31、压力传感器32以及惯性传感器33，其中，角度传感器31位于小腿机构12与足部机构13之间，即角度传感器31用于检测小腿机构12与足部机构13之间所呈的角度信息；压力传感器32可设于足部机构13的底部，惯性传感器33设于小腿机构12或足部机构13，可选地，惯性传感器33设于小腿机构12上，优选地，惯性传感器33设于小腿机构12的后端；上述三种传感器可分别采集关节角度信息、足底压力信息、假肢位姿信息，并将信息反馈至控制模块5，以预测假肢本体1的运动趋势，进而预测人体的运动意图，该系统数据反馈实时性及稳定性强，便与患者尽快适应不同路面，并更加轻松地跨越障碍物，用户体验佳。

需要说明的是，结合上述实施例可知，具有主动动力的假肢本体1，亦可具有灵活配置的动力模块2及环境识别系统，即可配置为包括膝关节驱动件21的二自由度智能假肢，也可配置为不包括膝关节驱动件21的单自由度智能假肢，该假肢本体1的上述两种配置可分别作为两种独立的结构，也可集成在同一假肢本体1上，即主动膝关节驱动件21及以上的大腿机构11可拆除连接在小腿机构12上，具体结构及实现方式此处不作唯一限定。

综上所述，上述融合视觉的用于人体运动意图感知及环境探测的智能动力假肢环境识别系统具有以下几个特点：

1、可检测到患者人体的周围环境，帮助假肢本体预测人体运动意图。

2、相对于激光点的路况识别系统鲁棒性更好，同时可识别获取环境参数。

3、可帮助假肢本体1规划步态，进而使得患者更好地与外界环境进行交互。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为了清楚说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.动力假肢环境识别系统，其特征在于，包括用于佩戴在患肢上的假肢本体以及设置在所述假肢本体上的下述模块：

动力模块，用以使所述假肢本体运动；

运动感应模块，用以获取所述假肢本体的状态信息；

视觉探测模块，用以获取所述假肢本体的周边环境信息；

控制模块，其分别与所述动力模块、所述运动感应模块以及所述视觉探测模块电连接；

所述假肢本体包括依序连接的大腿机构、小腿机构以及足部机构，所述动力模块包括位于所述大腿机构与小腿机构之间的膝关节驱动件和位于所述小腿机构与足部机构之间的踝关节驱动件。

2.根据权利要求1所述的动力假肢环境识别系统，其特征在于，所述控制模块包括电路连接单元以及通过所述电路连接单元依序连接的信号预处理单元、信号算法处理单元和假肢运动控制单元，所述运动感应模块及所述视觉探测模块分别通过所述电路连接单元与所述信号预处理单元相连接，所述动力模块通过所述电路连接单元与所述假肢运动控制单元相连接。

3.根据权利要求2所述的动力假肢环境识别系统，其特征在于，所述膝关节驱动件和踝关节驱动件分别为电磁感应式驱动件、液压式驱动件或气压式驱动件。

4.根据权利要求2所述的动力假肢环境识别系统，其特征在于，所述运动感应模块包括角度传感器、压力传感器以及惯性传感器，所述角度传感器位于所述大腿机构与所述小腿机构之间和/或位于所述小腿机构与所述足部机构之间，所述压力传感器设于所述足部机构的底部，所述惯性传感器设于所述大腿机构、所述小腿机构或所述足部机构。

5.根据权利要求1所述的动力假肢环境识别系统，其特征在于，所述假肢本体包括相互连接的小腿机构和足部机构，所述动力模块包括踝关节驱动件，所述踝关节驱动件位于所述小腿机构与足部机构之间且用于使所述足部机构相对所述小腿机构转动。

6.根据权利要求1～5任一项所述的动力假肢环境识别系统，其特征在于，所述视觉探测模块包括至少一个视觉传感器。

7.根据权利要求6所述的动力假肢环境识别系统，其特征在于，所述视觉传感器为一个，该视觉传感器设置在所述小腿机构的前端且用以获取所述小腿机构前方预设距离内的物体的位置信息。

8.根据权利要求7所述的动力假肢环境识别系统，其特征在于，所述视觉传感器为基于时间飞行技术的深度相机。

9.根据权利要求7所述的动力假肢环境识别系统，其特征在于，所述预设距离为3.5m～4.5m。

10.根据权利要求2所述的动力假肢环境识别系统，其特征在于，所述电路连接单元为导电线缆和/或无线通讯单元。