动力型假肢的路况识别装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术为一种动力型假肢的路况识别装置，其组成包括激光距离传感器、惯性测量传感器、RS232串口线、杜邦线、电源和单片机；其中，激光距离传感器与RS232串口线相连；惯性测量传感器与杜邦线相连；RS232串口线、杜邦线分别和单片机相连；电源也与单片机相连；同时，惯性测量传感器粘接在激光距离传感器上。本实用新型专利技术与基于运动信息和肌电信号的路况识别方法相比，基于激光距离传感器和概率神经网络的路况识别系统大大提高了路况识别的精度，在实验测试中，可达到98%，并简化特征值筛选过程、可避免识别延时。

【技术实现步骤摘要】

本技术专利用于动力型假肢智能路况识别，属于医疗保健

技术介绍
目前我国肢体残疾人数高达2412万，并且伴随着环境以及交通车祸、自然灾害、暴力冲突等因素的影响，残疾人数在持续增长。残疾导致的截肢会造成截肢者生活中的各种困难，失去了基本的运动功能，甚至生活不能自理。安装假肢，像普通人一样行动自如是让他们重获新生的唯一途径。因此，为了提高残障者的生活质量与社会参与能力，在功能上和外观上都接近健肢的假肢的研发设计成为生物医学康复领域的一个研究重点。目前市场上的假肢产品大多为被动式假肢，不能实现需要踝关节和膝关节提供动力的活动，比如上楼梯和上斜坡等，并且没有独立自主的活动能力，穿戴者在生活中仍会表现出较为吃力，因此必须为膝关节提供动力。设计动力型下肢假肢的一个关键因素是路况识别，因为这些设备是不独立的机器人，需要与用户步态相协调。智能假肢需要实时感知地面路况的变化，并根据不同的地面状况和步行模式改变控制策略，从而实现假肢穿戴者的自然行走。虽然已经存在能够支持平地行走、上/下楼梯、上/下斜坡等动作的假肢存在，初步具备了代替残缺肢体的功能，但仍有一些问题亟需解决，如(1)路况识别精度低、可靠性不高，假肢的步态与自然行走仍存在较大差异；(2)运动信息只有在假肢穿戴者完成一定的动作后才能采集到，在识别时不可避免的产生一定的延迟，对后续动力型下肢设备的协调控制带来影响；(3)表面肌电信号低频微弱等特性，采集时极易受到个体生理、采集设备干扰等影响，为步态识别带来困难。
技术实现思路
鉴于上述问题，本技术的目的是提供一种路况识别装置，可以为动力型智能假肢提供路况识别功能。通过对人运动中的视觉研究获知，提前获得环境信息可以指导下肢的运动。因此，设计一个路况识别装置安置于测试者腰部左侧，激光距离传感器用于采集传感器与被测地形之间的直线距离，惯性测量传感器附连到激光距离传感器，用于采集行走过程中激光距离传感器与地面之间的垂直距离及激光束与竖直方向的夹角，进而通过计算得到地形高度信息，通过小波去噪算法对所采集的数据进行滤波处理，提取特征值，最后选择训练简单、结构清晰的概率神经网络进行路况识别。结果表明该便携式装置能有效识别平地、上楼、下楼、上坡和下坡五种路况并提高识别精度，证明了将可穿戴式路况识别系统应用于动力型下肢假肢环境感知系统的有效性和可行性。本技术所采用的技术方案是:—种动力型假肢的路况识别装置，其组成包括激光距离传感器、惯性测量传感器、RS232串口线、杜邦线、电源和单片机；其中，激光距离传感器与RS232串口线相连；惯性测量传感器与杜邦线相连；RS232串口线、杜邦线分别和单片机相连；电源也与单片机相连；同时，惯性测量传感器粘接在激光距离传感器上。所述激光距离传感器型号为RWRFA-2 ;惯性测量单元是型号为ENC-03MB的陀螺仪和型号为MMA7361的三轴加速度计二合一模块(驰瑞纵横智能车科技)；所述单片机型号为 msp430fl49。本技术的有益效果是:(1)与基于运动信息和肌电信号的路况识别方法相比，基于激光距离传感器和概率神经网络的路况识别系统大大提高了路况识别的精度，在实验测试中，可达到98%。(2)由于五种路况下激光距离信息和地形高度信息整体趋势在不同范围内变化，因此简化特征值筛选过程，在实时应用上能够节省时间。(3)由于激光距离信号与步态周期无对应关系，该方法可避免按照步态周期划分信号进行分析，在改变路况前1.24?3.6秒前识别出下一路况，可避免识别延时。(4)简化了传感器的安装。【附图说明】图1示意性说明了本技术系统组成图；其中，1-激光距离传感器；2_惯性测量传感器；3-RS232串口线；4_杜邦线；5_电源；6-单片机；图2为系统原理图；其中，1-激光距离传感器，2-惯性测量传感器。图3为本技术对五种路况的识别结果。【具体实施方式】下面结合附图进一步说明本技术。本技术所述的动力型假肢路况识别装置系统组成如图1所示，其组成包括激光距离传感器(1)、惯性测量传感器(2)、RS232串口线(3)、杜邦线(4)、电源(5)和单片机(6);其中，激光距离传感器(1)与RS232串口线(3)相连；惯性测量传感器(2)与杜邦线(4)相连；RS232串口线(3)、杜邦线(4)分别和单片机(6)相连；电源(5)与单片机(6)相连。在实时测试中，本技术安置于测试者腰部左侧，激光距离传感器(1)通过测量调节自身与垂直方向初始角度呈45度，并通过RS232串口线(3)与单片机(6)相连，得到激光距离信息d ;惯性测量传感器(2)以黏贴的方式附连到激光距离传感器(1)上，以保证(2)与(1)处在同一水平高度并能测量出激光距离传感器角度变化，通过杜邦线(4)与单片机(6)相连，得到加速度和角加速度，在单片机(6)中经计算得到地形高度信息h，电源(5)采用直插式与单片机(6)相连，以保证整个装置的供电。得到的数据信息经小波去噪模块滤波去噪后与特征提取模块相连，得到能够反映物种路况特征的特征值输入概率神经网络路况识别模块进行路况识别，最终得到识别结果，动力型下肢假肢根据不同行走路况做出反应，使假肢与另一侧的健肢协调运动。路况识别装置是动力型假肢的一部分，此识别装置也可以作为单独的设备应用于机器人、下肢康复设备等。所述激光距离传感器(1)型号为RWRFA-2，测量量程为2m，测量精度为土 1mm，激光等级为波长640nm的红色可见激光，二级人眼安全(深圳盈勤科技有限公司)。所述惯性测量单元(2)是型号为ENC-03MB的陀螺仪和型号为MMA7361的三轴加速度计的二合一模块，集成在同一芯片上(驰瑞纵横智能车科技)，集成以后的惯性测量单元输出引脚与杜邦线⑷相连。所述RS232串口线(3)型号为DB101，为直连9针串口线(绿联数码旗舰店)。所述杜邦线(4)型号为P40 (绿联数码旗舰店)。所述电源(5)型号为B0503S-1W单片机电源，其特点为SIP4、DIP8标准引脚方式(恒达裕电子)。所述单片机(6)型号为msp430f 149，其特点为带有串口以保障与电源和激光距离传感器的连接，并且低功耗，适于移动设备(宁波欣创电子科技)。在实际应用中，假肢穿戴者正常行走，行走开始，接入电源(5)本技术开始工作，激光距离传感器(1)实时测量激光距离，采集到的信息通过RS232串口线(3)到单片机(5)，惯性测量传感器(2)实时测量加速度及角速度信息，采集到的信息通过杜邦线(4)采集到单片机(6)并在单片机(6)内通过计算得到地形高度。在单片机(6)内激光距离信息及地形高度信息每采集8个数据便进行一次信息处理，信息处理包括小波去噪、特征提取、概率神经网络路况识别，然后得到假肢穿戴者行走前方的路况信息，为后续的假肢控制提供路况信息。本技术的系统原理图如图2所示，在假肢穿戴者身上安置路况识别装置，激光距离传感器(1)通过测量调节，使自身与垂直方向初始角度呈45度，在行走过程中惯性测量单元实时检测高度以及角度信息发生的变化，采集传感器与被测地形之间的直线距离以及地形高度信息，通过小波去噪算法对所采集的数据进行滤波处理，提取特征值，最后选择训练简单、结构清晰的概率神经网本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种动力型假肢的路况识别装置，其特征为其组成包括激光距离传感器、惯性测量传感器、RS232串口线、杜邦线、电源和单片机；其中，激光距离传感器与RS232串口线相连；惯性测量传感器与杜邦线相连； RS232串口线、杜邦线分别和单片机相连；电源也与单片机相连；同时，惯性测量传感器粘接在激光距离传感器上。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张燕，许京，郜鑫，周颖，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：新型
国别省市：天津;12