CN211271430U - 一种智能仿生膝关节的控制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及医疗辅助设备技术领域，提供了一种智能仿生膝关节的控制系统。克服了现有仿生膝关节技术的假肢模式识别精度低、控制结构复杂的问题；系统包括小腿运动状态采集模块、运动信息分析模块、驱动控制模块和膝关节状态反馈模块。智能仿生膝关节工作时，控制系统通过小腿运动状态采集模块实时采集使用者小腿的运动数据，经运动信息分析模块确定其运动状态，利用驱动控制模块驱动电机完成设定动作，完成行走功能。
Description
技术领域
本实用新型涉及医疗辅助设备技术领域，尤其涉及一种智能仿生膝关节的控制系统。
背景技术
进入21世纪，随着世界经济、文化和科技的进步，人们的物质生活条件的得到了极大提高，人民生活变得丰富多彩。但由先天性疾病、意外事故以及战争导致的截肢者，其数量却以惊人的速度增长着。据不完全统计，我国现有截肢者约为8000万人，肢体的残缺使得他们不能正常的进行各类运动，甚至无法自理，不能自信的在社会上生活。而假肢技术的快速发展，为截肢者带来了希望的曙光。
传统假肢控制系统直接将腿部运动状态进行分类，得出相应控制命令，系统运行后依次执行相应命令，完成行走动作。但由于路况等的变化，会造成假肢的运动状态实时改变，导致控制精度不高，还可能带来诸多安全隐患。
人体下肢是人类移动步行的重要器官，具有很高的灵活性，可以协同其他器官完成多种动作，而膝关节是其最重要的部分，它是一种高度非线性、时变、强耦合的系统。通过智能假肢替代人体膝关节，并维持其正常运转，保证其在支撑时具有良好的稳定能力，在行走时具有较好的灵活性，这是智能膝关节设计和控制的重点，也是困难所在。
实用新型内容
本实用新型提供了一种智能仿生膝关节的控制系统，其目的是为了解决现有仿生膝关节技术的假肢模式识别精度低、控制结构复杂的问题。
为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：
一种智能仿生膝关节的控制系统，包括小腿运动状态采集模块、运动信息分析模块、驱动控制模块和膝关节状态反馈模块；
所述小腿运动状态采集模块通过陀螺仪和加速度计采集小腿运动状态数据，经模数转换后，传入运动信息分析模块；
所述运动信息分析模块对传入的小腿运动状态数据进行特征提取与状态识别，将状态识别结果传入驱动控制模块；
所述驱动控制模块根据输入的状态识别结果与存储器中保存的状态数据进行匹配，得到相应的角度信息，并结合膝关节状态反馈模块反馈的电机位置信息和步行动作完成信号形成控制命命，驱动电机；
所述膝关节状态反馈模块使用碰触开关和干簧管确定电机位置和步行动作完成情况，并反馈给驱动控制模块。
技术方案中所述运动信息分析模块和驱动控制模块嵌入于同一nRF51822芯片中；
所述nRF51822为中央控制器，nRF51822芯片连接有多个并行外设，包括：电源，用于系统供电；存储器，用于存储运动信息；MPU6050传感器，用于采集腿部运动信息；干簧管，用于步数统计；碰触开关，用于确定电机位置；直流电机，用于执行膝关节运动。
与现有技术相此，本实用新型的有益效果是：
本实用新型提供了一种智能仿生膝关节的控制系统，将一种基于实际数据获得的数据分析算法应用于运动信息分析模块，对假肢的运动状态数据进行特征提取与状态识别，能够实时识别当前膝关节状态，经分析计算及时得出相应控制指令，驱动电机完成对应动作。基于运动信息分析模块设计出的控制系统能够很好的实现步态跟随，满足截肢者对灵活性的要求。
附图说明
图1为一种智能仿生膝关节的控制系统的结构示意图；
图2为一种智能仿生膝关节的控制系统的硬件结构示意图。
具体实施方式
本实用新型公开了一种智能仿生膝关节的控制系统，包括小腿运动状态采集模块、运动信息分析模块、驱动控制模块和膝关节状态反馈模块；
小腿运动状态采集模块：通过陀螺仪和加速度计采集小腿运动状态数据，经模数转换后，传入运动信息分析模块；
运动信息分析模块：对传入的小腿运动状态数据进行特征提取与状态识别，将状态识别结果传入驱动控制模块；
驱动控制模块：根据输入的状态识别结果与存储器中保存的状态数据进行匹配，得到相应的角度信息，并结合膝关节状态反馈模块反馈的电机位置信息和步行动作完成信号形成控制命令，驱动电机；
膝关节状态反馈模块：使用碰触开关和干簧管确定电机位置和步行动作完成情况，并反馈给驱动控制模块。
本实用新型中，使用nRF51822作为中央控制器，nRF51822芯片具有较大的存储空间，良好的处理器性能，能够实时处理膝关节运动和控制膝关节运转，可扩展多个并行外设。运动信息分析模块和驱动控制模块就嵌入于同一nRF51822芯片中。
nRF51822芯片连接有多个并行外设，共同构成智能仿生膝关节控制系统，其中包括：电源，用于系统供电；存储器，用于存储运动信息；MPU6050传感器，用于采集腿部运动信息；干簧管，用于步数统计；碰触开关，用于确定电机位置；直流电机，用于执行膝关节运动。
系统工作时，通过MPU6050实时采集使用者小腿的加速度与角速度信息，并结合碰触开关与干簧管的反馈信号，使用一种基于实际数据获得的数据分析算法实时分析使用者腿部的运动状态，得出控制指令，控制电机转动，实时调节膝关节角度，以达到步态跟随的目的。
本实用新型提供了一种智能仿生膝关节的控制系统，其各部分组件协调合作，实时跟踪使用者步态，给使用者一种随心所欲的体验。
应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (3)
1.一种智能仿生膝关节的控制系统，其特征在于包括小腿运动状态采集模块、运动信息分析模块、驱动控制模块和膝关节状态反馈模块；
所述小腿运动状态采集模块通过陀螺仪和加速度计采集小腿运动状态数据，经模数转换后，传入运动信息分析模块；
所述运动信息分析模块对传入的小腿运动状态数据进行特征提取与状态识别，将状态识别结果传入驱动控制模块；
所述驱动控制模块根据输入的状态识别结果与存储器中保存的状态数据进行匹配，得到相应的角度信息，并结合膝关节状态反馈模块反馈的电机位置信息和步行动作完成信号形成控制命令，驱动电机；
所述膝关节状态反馈模块使用碰触开关和干簧管确定电机位置和步行动作完成情况，并反馈给驱动控制模块。
2.按照权利要求1所述的一种智能仿生膝关节的控制系统，其特征在于所述小腿运动状态采集模块采用MPU6050传感器，测量X，Y，Z轴加速度和角速度，量程分别为±2g和±250dps。
3.按照权利要求1所述的一种智能仿生膝关节的控制系统，其特征在于所述运动信息分析模块和驱动控制模块嵌入于同一nRF51822芯片中；
所述nRF51822为中央控制器，nRF51822芯片连接有多个并行外设，包括：电源，用于系统供电；存储器，用于存储运动信息；MPU6050传感器，用于采集腿部运动信息；干簧管，用于步数统计；碰触开关，用于确定电机位置；直流电机，用于执行膝关节运动。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201921908476.XU CN211271430U (zh) | 2019-11-07 | 2019-11-07 | 一种智能仿生膝关节的控制系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN201921908476.XU CN211271430U (zh) | 2019-11-07 | 2019-11-07 | 一种智能仿生膝关节的控制系统 |
Publications (1)
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| CN211271430U true CN211271430U (zh) | 2020-08-18 |
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ID=72029747
Family Applications (1)
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| CN201921908476.XU Active CN211271430U (zh) | 2019-11-07 | 2019-11-07 | 一种智能仿生膝关节的控制系统 |
Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN211271430U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110811941A (zh) * | 2019-11-07 | 2020-02-21 | 北京精博现代假肢矫形器技术有限公司 | 一种智能仿生膝关节的数据采集装置 |
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2019
- 2019-11-07 CN CN201921908476.XU patent/CN211271430U/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN110811941A (zh) * | 2019-11-07 | 2020-02-21 | 北京精博现代假肢矫形器技术有限公司 | 一种智能仿生膝关节的数据采集装置 |
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