CN107510525A - 基于人体健康腿传感信号的步态跟随膝下假肢 - Google Patents

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Abstract

基于人体健康腿传感信号的步态跟随膝下假肢，主要包括基座机构、座椅机构、左机械腿机构和右机械腿机构，压力信号采集传输模块、假肢***控制模块和假肢腿，压力信号采集传输模块放置于患者健康腿脚部，包括前脚掌薄膜压力传感器、后脚掌薄膜压力传感器、第一微处理器和蓝牙信号发射器，假肢***控制模块主要包括蓝牙数据接收器、控制模块外壳、***开关、第二微处理器和控制模块锂电池。本发明可根据健康腿脚部压力信号使假肢模拟健康小腿主动柔顺接触地面，使患者在普通道路上能够如常人一样行走，且本方案采用蓝牙传输方式减少线缆，提高本假肢的舒适度；综上，这是一种操作简单，安装拆卸方便、可实现主动柔顺接触的新型假肢。

Description

基于人体健康腿传感信号的步态跟随膝下假肢
技术领域
本专利属于机电控制工程领域，尤其是基于人体健康腿传感信号的步态跟随假肢。
背景技术
根据残联最新官方数据，我国残疾人口已占总人口近百分之六，其中肢体残疾人数占到总残疾人数的百分之三十，对残疾人口的救护受到整个社会的重视。对于腿部截肢患者的救治需要安装假肢来辅助患者行走，由于传统腿部假肢多为被动式假肢，即假肢安装固定后完全由自身腿部带动并刚性接触地面。假肢的脚踝部分无法主动运动，使患者运动受到很大障碍，此类假肢使患者与正常人行走区别巨大，这对患者的身体和心理持续造成伤害。
通过研究我们发现正常人体行走时，90％时间以上双腿行走模式基本相同，即双腿步速、步长、步频是基本相同的，通过检测健康腿脚部前后脚掌压力信号可以计算出截止腿脚踝部分摇摆时间及着地输出力，并通过控制伺服电动缸来模拟健康小腿。因此研究一种脚踝可主动摇摆以柔顺接触地面的膝下假肢有一定价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种为单腿小腿截肢患者提供一种可根据健康腿传感信号来主动柔顺接触地面的基于人体健康腿传感信号的步态跟随膝下假肢。
本发明主要包括压力信号采集传输模块、假肢***控制模块和假肢腿。压力信号采集传输模块放置于患者健康腿脚部，包括前脚掌薄膜压力传感器、后脚掌薄膜压力传感器、第一微处理器和蓝牙信号发射器。其中，前脚掌薄膜压力传感器和后脚掌薄膜压力传感器分别内置于健康脚鞋内对应前后脚掌位置，前脚掌薄膜压力传感器和后脚掌薄膜压力传感器将传感信号通过线缆传输至第一微处理器，第一微处理器通过滤波、放大等方式对信号进行处理，处理后的信号数据经由蓝牙信号发射器传输给置于跟随假肢上的蓝牙数据接收器。整个压力信号采集传输模块由采集模块锂电池供电。
上述前脚掌薄膜压力传感器与后脚掌薄膜压力传感器采用Tekscan公司A401薄膜压力传感器，第一微处理器型号为宏晶STC89C52，蓝牙信号发射器型号为百瑞互联i410e-s。
假肢***控制模块主要包括蓝牙数据接收器、控制模块外壳、***开关、第二微处理器和控制模块锂电池。在控制模块外壳的内部设有蓝牙数据接收器、***开关、第二微处理器和控制模块锂电池，蓝牙数据接收器、***开关、第二微处理器和控制模块锂电池之间通过通过线缆连接，蓝牙数据接收器将数据传输给第二微处理器，第二微处理器通过置于其中的控制程序对第一伺服电动缸与第二伺服电动缸进行力/位混合控制，整个假肢控制***模块由控制模块锂电池供电。
上述蓝牙数据接收器型号为百瑞互联i410e-s、控制模块外壳采用3D打印技术打印、***开关型号为德崧PB2-2B-3WU-1D、第二微处理器型号为宏晶STC89C52，控制模块锂电池由千果电子有限公司定制提供。
假肢腿主要包括假肢接收腔、固定绑带、第一伺服电机缸、第二伺服电机缸、第一滑动轴承、第二滑动轴承和假肢脚本体。假肢脚本体为波浪形板，在假肢脚本体上设有第一滑动轴承和第二滑动轴承，第一滑动轴承与第二伺服电机的输出端相连，第二滑动轴承与第一伺服电机的输出端相连，在第二伺服电机和第一伺服电机的固定端的上部，固定连接假肢接收腔，在假肢接收腔的内部固定连接假肢***控制模块，在假肢接收腔上部的侧壁上设有若干固定绑带。
本发明在使用时，基于人体健康腿传感信号的步态跟随膝下假肢，将截肢腿端放入定制的假肢接受腔内，通过固定绑带固定，前脚掌薄膜压力传感器和后脚掌薄膜压力传感器为薄膜压力传感器分别内置于健康脚鞋内对应前后脚掌位置，前脚掌薄膜压力传感器和后脚掌薄膜压力传感器将传感信号通过线缆传输至第一微处理器，第一微处理器通过滤波、放大等方式对信号进行处理，处理后的信号数据经由蓝牙信号发射器传输给置于跟随假肢上的蓝牙数据接收器，整个传感***由采集模块锂电池供电，蓝牙数据接收器将数据传输给第二微处理器，第二微处理器通过置于其中的控制程序对第一伺服电动缸与第二伺服电动缸进行力/位混合控制，当遇到复杂地形时，即双脚步态不一致时，通过***开关，可以控制***开启或关闭，防止不必要的危险，整个假肢控制***模块由控制模块锂电池供电，第一伺服电动缸和第二伺服电动缸分别通过第一滑动轴承和第二滑动轴承与假肢脚本体连接，伺服电动缸伸缩带动假肢脚本体摇摆，进而主动柔顺接触地面，由于伺服电动缸自身构成闭环控制，所以整个假肢***控制精度高，稳定性好。
本发明与现有技术相比具有以下优点：传统膝下假肢无法像人体健康小腿一样主动柔顺接触地面，且无法模拟脚部的摇摆动作；本方案可根据健康腿脚部压力信号使假肢模拟健康小腿主动柔顺接触地面，使患者在普通道路上能够如常人一样行走，且本方案采用蓝牙传输方式减少线缆，提高本假肢的舒适度；综上，这是一种操作简单，安装拆卸方便、可实现主动柔顺接触的新型假肢。
附图说明
图1为本发明的压力信号采集传输模块结构示意图；
图2为本发明的假肢***控制模块结构示意图；
图3为本发明的假肢腿结构示意图。
图中，1-前脚掌薄膜压力传感器；2-采集模块锂电池；3-第一微处理器；4-蓝牙信号发射器；5-后脚掌薄膜压力传感器；6-蓝牙数据接收器；7-控制模块外壳；8-假肢脚本体；9-***开关；10-第二微处理器；11-控制模块锂电池；12-假肢接收腔；13-固定绑带；14-假肢***控制模块；15-第一伺服电动缸；16-第二伺服电动缸；17-第一滑动轴承；18-第二滑动轴承。
具体实施方式
在图1、图2和图3所示的本发明的示意简图中，本发明主要包括压力信号采集传输模块、假肢***控制模块和假肢腿。压力信号采集传输模块放置于患者健康腿脚部，包括前脚掌薄膜压力传感器1和后脚掌薄膜压力传感器5分别内置于健康脚鞋内对应前后脚掌位置，前脚掌薄膜压力传感器和后脚掌薄膜压力传感器将传感信号通过线缆传输至第一微处理器3，第一微处理器通过滤波、放大等方式对信号进行处理，处理后的信号数据经由蓝牙信号发射器4传输给置于跟随假肢上的蓝牙数据接收器6。整个压力信号采集传输模块由采集模块锂电池2供电。
假肢***控制模块主要包括蓝牙数据接收器、控制模块外壳、***开关、第二微处理器和控制模块锂电池。在控制模块外壳7的内部设有蓝牙数据接收器、***开关、第二微处理器和控制模块锂电池，蓝牙数据接收器、***开关9、第二微处理器10和控制模块锂电池11，蓝牙数据接收器、***开关、第二微处理器和控制模块锂电池之间通过通过线缆连接，蓝牙数据接收器将数据传输给第二微处理器，第二微处理器通过置于其中的控制程序对第一伺服电动缸与第二伺服电动缸进行力/位混合控制，整个假肢控制***模块由控制模块锂电池供电。
假肢腿主要包括假肢接收腔、固定绑带、第一伺服电机缸、第二伺服电机缸、第一滑动轴承、第二滑动轴承和假肢脚本体。假肢脚本体8为波浪形板，在假肢脚本体上设有第一滑动轴承17和第二滑动轴承18，第一滑动轴承与第二伺服电机16的输出端相连，第二滑动轴承与第一伺服电机15的输出端相连，在第二伺服电机和第一伺服电机的固定端的上部，固定连接假肢接收腔12，在假肢接收腔的内部固定连接假肢***控制模块14，在假肢接收腔上部的侧壁上设有固定绑带13。

Claims (1)

1.基于人体健康腿传感信号的步态跟随膝下假肢，主要包括基座机构、座椅机构、左机械腿机构和右机械腿机构，其特征在于：压力信号采集传输模块、假肢***控制模块和假肢腿，压力信号采集传输模块放置于患者健康腿脚部，包括前脚掌薄膜压力传感器、后脚掌薄膜压力传感器、第一微处理器和蓝牙信号发射器，其中，前脚掌薄膜压力传感器和后脚掌薄膜压力传感器分别内置于健康脚鞋内对应前后脚掌位置，前脚掌薄膜压力传感器和后脚掌薄膜压力传感器将传感信号通过线缆传输至第一微处理器，第一微处理器通过滤波、放大等方式对信号进行处理，处理后的信号数据经由蓝牙信号发射器传输给置于跟随假肢上的蓝牙数据接收器，整个压力信号采集传输模块由采集模块锂电池供电，假肢***控制模块主要包括蓝牙数据接收器、控制模块外壳、***开关、第二微处理器和控制模块锂电池，在控制模块外壳的内部设有蓝牙数据接收器、***开关、第二微处理器和控制模块锂电池，蓝牙数据接收器、***开关、第二微处理器和控制模块锂电池之间通过通过线缆连接，蓝牙数据接收器将数据传输给第二微处理器，第二微处理器通过置于其中的控制程序对第一伺服电动缸与第二伺服电动缸进行力/位混合控制，整个假肢控制***模块由控制模块锂电池供电，假肢腿主要包括假肢接收腔、固定绑带、第一伺服电机缸、第二伺服电机缸、第一滑动轴承、第二滑动轴承和假肢脚本体，假肢脚本体为波浪形板，在假肢脚本体上设有第一滑动轴承和第二滑动轴承，第一滑动轴承与第二伺服电机的输出端相连，第二滑动轴承与第一伺服电机的输出端相连，在第二伺服电机和第一伺服电机的固定端的上部，固定连接假肢接收腔，在假肢接收腔的内部固定连接假肢***控制模块，在假肢接收腔上部的侧壁上设有固定绑带。
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