CN111568615A - 电动假肢***和电动假肢控制方法 - Google Patents

电动假肢***和电动假肢控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电动假肢***和电动假肢控制方法，***包括：底层控制模块、中层控制模块和高层控制模块，所述底层控制模块用于控制所述本体，所述中层控制模块用于估计假肢姿态，并根据所述高层控制模块的意图决策和路况信息，输出步态控制信号，所述高层控制模块用于意图预测和路况识别。本发明通过将控制***划分为底层控制模块、中层控制模块和高层控制模块，使得电动假肢可针对不同的任务进行分时、分层处理，有益于控制***的高效部署。

Description

电动假肢***和电动假肢控制方法
技术领域
本发明涉及假肢，尤其是涉及一种电动假肢***和电动假肢控制方法。
背景技术
肢体残缺十分影响残疾人士的工作与生活，因此，能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。随着机器人技术的发展，智能化的电动假肢得到快速发展。电动假肢的控制是假肢得到实际应用的关键问题之一，然而现行的电动假肢，主控模块性能较低、无法承载过多功能。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种电动假肢***，能够将假肢的各类处理需求分层、分时处理，分散了单一处理器的计算负担，针对不同任务分层、分时处理，有益于***的高效部署。
本发明还提出电动假肢控制方法。
第一方面，本发明的一个实施例提供了一种电动假肢***，包括：本体、采集模块、底层控制模块、中层控制模块和高层控制模块，所述采集模块的输出端分别连接所述高层控制模块的输入端、所述中层控制模块的输入端和所述底层控制单元的输入端，所述高层控制模块的输出端连接所述中层控制模块的输入端，所述中层控制模块的输出端连接所述底层控制模块的输入端，所述底层控制模块的输出端连接所述假肢本体的输入端；
所述采集模块用于采集所述底层控制模块、所述中层控制模块和所述高层控制模块所需信息，
所述底层控制模块用于控制所述本体，
所述中层控制模块用于估计假肢姿态，并根据所述高层控制模块的意图决策和路况信息，输出步态控制信号，
所述高层控制模块用于意图预测和路况识别。
进一步地，所述本体包括电动关节，所述电动关节包括所述电动关节及连接结构件，包括踝关节和/或膝关节。
进一步地，所述高层控制模块包括处理器，用于路况识别和意图预测。
进一步地，所述中层控制模块包括处理器，用于步态控制。
进一步地，底层控制模块包括驱动器和电机，所述驱动器的输入端连接所述中层控制模块的输出端，所述驱动电机的输出端连接所述电机的输入端，所述电机的输入端连接所述本体的输入端。
进一步地，所述采集模块包括以下一种或多种：位置传感器单元、力传感器单元、惯性传感器单元、肌电传感器单元、相机单元。
本发明还提出了一种电动假肢控制方法，包括：
设置底层控制模块、中层控制模块和高层控制模块，
所述底层控制模块用于控制假肢本体，
所述中层控制模块用于估计假肢姿态，并根据所述高层控制模块的意图决策和路况信息，输出步态控制信号，
所述高层控制模块用于意图预测和路况识别。
本发明实施例的一种电动假肢***至少具有如下有益效果：通过将控制***划分为底层控制模块、中层控制模块和高层控制模块，使得电动假肢可针对不同的任务进行分时、分层处理，有益于控制***的高效部署。
附图说明
图1是本发明实施例中一种电动假肢***的一具体实施例模块框图；
图2是本发明实施例中一种电动假肢***的一具体实施例使用状态示意图。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，如果涉及到方位描述，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”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。如果某一特征被称为“设置”、“固定”、“连接”、“安装”在另一个特征，它可以直接设置、固定、连接在另一个特征上，也可以间接地设置、固定、连接、安装在另一个特征上。
在本发明实施例的描述中，如果涉及到“若干”，其含义是一个以上，如果涉及到“多个”，其含义是两个以上，如果涉及到“大于”、“小于”、“超过”，均应理解为不包括本数，如果涉及到“以上”、“以下”、“以内”，均应理解为包括本数。如果涉及到“第一”、“第二”，应当理解为用于区分技术特征，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
参照图1，示出了本发明实施例中一种电动假肢***的一具体实施例模块框图。包括：本体、采集模块、底层控制模块、中层控制模块和高层控制模块，所述采集模块的输出端分别连接所述高层控制模块的输入端、所述中层控制模块的输入端和所述底层控制单元的输入端，所述高层控制模块的输出端连接所述中层控制模块的输入端，所述中层控制模块的输出端连接所述底层控制模块的输入端，所述底层控制模块的输出端连接所述假肢本体的输入端；
所述采集模块用于采集所述底层控制模块、所述中层控制模块和所述高层控制模块所需信息，
所述底层控制模块用于控制所述本体，
所述中层控制模块用于估计假肢姿态，并根据所述高层控制模块的意图决策和路况信息，输出步态控制信号，
所述高层控制模块用于意图预测和路况识别。
本实施例将电动假肢需处理任务根据对处理器的性能要求划分，将需要复杂计算、大计算量的任务通过高层控制模块实现，对本体电机控制的简单任务通过底层控制模块实现，其余任务通过中层控制模块实现，以实现对不同任务需求的分层、分时处理，有益于***的高效部署，使得***的响应速度更快，性能更高，能够承载更为复杂的处理任务。
在另一个实施例中，本体包括电动关节，所述电动关节可主动控制，所述电动关节包括踝关节和/或膝关节。底层控制模块包括驱动器和电机，所述驱动器的输入端连接所述中层控制模块的输出端，所述驱动电机的输出端连接所述电机的输入端，所述电机的输入端连接所述本体的输入端。所述底层控制模块包括位置传感器单元、力传感器单元、惯性传感器单元、肌电传感器单元、相机单元。中层控制模块均包括处理器，用于步态控制，高层控制模块一般包括性能较高的处理器，用于运行操作***、路况识别和意图预测。
参照图2，图2为实施例中一种电动假肢***的一具体实施例使用状态示意图，包括接：本体受腔1(本体)、电动膝关节2、小腿3(本体)、电动踝关节4、脚套5(本体)、脚板6(本体)、肌电传感器7、惯性传感器8、膝关节位置传感器9、相机10、膝关节驱动器11、中层控制模块12、高层控制模块13、传感器采集卡14、踝关节驱动器15、踝关节位置传感器16和力传感器17。
采集模块主要包括惯性传感器8、膝关节位置传感器9、踝关节位置传感器16、力传感器17。其中，力传感器安装于踝关节下端，用于测量假肢与地面交互力。惯性传感器8可安装于假肢大腿上或小腿上。膝关节位置传感器9、踝关节位置传感器16安装于膝关节和踝关节处，用于测量关节角度或速度信息。肌电传感器7安装于假肢残肢端肌肉表面，惯性传感器8可安装于假肢大腿上或小腿上。相机10一般安装于靠近膝关节的小腿上。肌电传感器7、惯性传感器8和相机10向高层控制模块发送信息。
高层控制模块一般运行操作***，通过采集表面肌电传感器7信号、惯性传感器8信号、并根据深度学习等最新人工智能技术进行意图预测和路况判断。完成意图预测功能和假肢路况识别功能。
中层控制模块12要根据高层控制模块的意图信息和路况信息，以及结合传感器采集的假肢状态信息通过传感器融合算法判定出假肢当前运动状态并进行步态控制，实时性要求高。
底层控制模块包括膝关节驱动器11、踝关节驱动器15以及相应的关节电机，用于控制假肢关节电机，实现电机层面的伺服控制，实现假肢力控制或位置控制，控制实时性最高，周期短。
采集模块使用采集卡14采集上述传感器信息，力传感器类型包括薄膜式压力传感器和单轴拉压力传感器或多轴力传感器。位置传感器类型包括编码器，旋转角度传感器，惯性传感器等
本实施例中的电动假肢***对假肢控制决策、轨迹生成、伺服底层控制等不同任务需求的分层分时处理，有益于控制***的高效部署，使控制效果达到最大化。
电动假肢分层控制***具有***冗余性，可用于小腿假肢、大腿假肢等任意主动控制假肢。通过高层控制模块和中层控制模块的结合，可增加实现意图或环境等上层决策信息，有益于智能动力假肢真正户外使用。
本发明还公开了一种电动假肢控制方法，包括：设置底层控制模块、中层控制模块和高层控制模块，
所述底层控制模块用于控制假肢本体，
所述中层控制模块用于估计假肢姿态，并根据所述高层控制模块的意图决策和路况信息，输出步态控制信号，
所述高层控制模块用于意图预测和路况识别。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (7)

1.一种电动假肢***，其特征在于，包括：本体、采集模块、底层控制模块、中层控制模块和高层控制模块，所述采集模块的输出端分别连接所述高层控制模块的输入端、所述中层控制模块的输入端和所述底层控制单元的输入端，所述高层控制模块的输出端连接所述中层控制模块的输入端，所述中层控制模块的输出端连接所述底层控制模块的输入端，所述底层控制模块的输出端连接所述假肢本体的输入端；
所述采集模块用于采集所述底层控制模块、所述中层控制模块和所述高层控制模块所需信息，
所述底层控制模块用于控制所述本体，
所述中层控制模块用于估计假肢姿态，并根据所述高层控制模块的意图决策和路况信息，输出步态控制信号，
所述高层控制模块用于意图预测和路况识别。
2.根据权利要求1所述的电动假肢***，其特征在于，所述本体包括电动关节及连接结构件，所述电动关节包括踝关节和/或膝关节。
3.根据权利要求1所述的电动假肢***，其特征在于，所述高层控制模块包括处理器，用于路况识别和意图预测。
4.根据权利要求1所述的电动假肢***，其特征在于，所述中层控制模块包括处理器，用于步态控制。
5.根据权利要求1所述的电动假肢***，其特征在于，底层控制模块包括驱动器和电机，所述驱动器的输入端连接所述中层控制模块的输出端，所述驱动电机的输出端连接所述电机的输入端，所述电机的输入端连接所述本体的输入端。
6.根据权利要求1所述的电动假肢***，其特征在于，所述采集模块包括以下一种或多种：位置传感器单元、力传感器单元、惯性传感器单元、肌电传感器单元、相机单元。
7.一种电动假肢控制方法，其特征在于，设置底层控制模块、中层控制模块和高层控制模块，
所述底层控制模块用于控制假肢本体，
所述中层控制模块用于估计假肢姿态，并根据所述高层控制模块的意图决策和路况信息，输出步态控制信号，
所述高层控制模块用于意图预测和路况识别。
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