一种主动型髋关节离断假肢控制系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种主动型髋关节离断假肢控制系统及控制方法，系统包含姿态传感器、主蓝牙模块、从蓝牙模块、单片机、上肢电源、假肢电源、伺服电机驱动电路、假肢髋关节电机、假肢膝关节电机、假肢踝关节电机、髋角度传感器、膝角度传感器和踝角度传感器。所述控制方法是：姿态传感器采集人体上臂摆角信息并通过蓝牙传送给单片机，单片机根据上臂摆角信息和人体上下肢运动协调关系计算出与上肢摆角时时对应的下肢各关节角度信息，然后利用下肢各关节角度信对髋关节离断假肢各关节进行运动控制。本发明专利技术可以使髋关节离断截肢者根据运动意图通过上肢的摆动对髋关节离断假肢进行运动控制，系统运行稳定且能够实现多种不同运动步态。

A control system and control method for active hip joint prosthesis

【技术实现步骤摘要】
一种主动型髋关节离断假肢控制系统及控制方法
本专利技术涉及机器人控制
，特别是涉及一种主动型髋关节离断假肢控制系统及控制方法。
技术介绍
目前由各种原因导致的髋关节离断截肢者众多，而髋关节离断假肢是帮助髋关节离断截肢者进行更好日常活动的必备工具。髋关节离断假肢分为被动型和主动型，被动型髋关节离断假肢虽然能够基本实现日常行走，但无法提供主动力矩，长时间行走极度消耗体力，同时与人体正常步态仍有较大差距，不能满足髋关节离断截肢者需求。主动型髋关节离断假肢不仅可以提供主动力矩，减轻行走负荷，而且能够实现多种更加自然的步态。目前可用于主动型髋关节离断假肢的控制方法有多种，如专利“用于下肢肌电假肢控制的多信息融合运动模式识别方法”中，通过提取人体在运动时肌肉的肌电信号对下肢假肢进行控制；专利“用于控制大脑机器接口和神经假肢系统的系统”中，通过脑电信号对下肢假肢进行运动控制；专利“下肢假肢膝关节自适应迭代学习控制方法”中，通过人机交互力对下肢假肢进行运动控制；专利“基于语音与肌电信息识别的假肢控制系统和方法”中，通过语音与肌电信号的结合对下肢假肢进行运动控制；专利“基于眼部和下颌肌电信号对智能假肢的控制装置及方法”中，通过眼球运动和肌电信号对下肢假肢进行运动控制；专利“牙齿控制的假肢装置及方法”中，通过牙齿运动对下肢假肢进行运动控制。但上述控制方法都还无法实现主动型髋关节离断假肢的稳定控制，其最主要原因是假肢控制系统难以有效识别穿戴者的运动意图，因此如何有效识别穿戴者的运动意图并实现主动型髋关节离断假肢的稳定控制仍是一个有待解决的问题。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种主动型髋关节离断假肢控制系统及控制方法，用以效识别穿戴者的运动意图并实现主动型髋关节离断假肢的稳定控制。为达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种主动型髋关节离断假肢控制系统，包括姿态传感器、主蓝牙模块、单片机、从蓝牙模块、上肢电源、假肢电源、伺服电机驱动电路、假肢髋关节电机、假肢膝关节电机、假肢踝关节电机、髋角度传感器、膝角度传感器和踝角度传感器；所述姿态传感器、主蓝牙模块和上肢电源在系统工作时通过可穿戴的方式固定于人体上臂；所述姿态传感器与主蓝牙模块通过串口相连接；所述上肢电源同时为姿态传感器和主蓝牙模块提供5V电源；所述主蓝牙模块和从蓝牙模块进行配对；所述单片机与从蓝牙模块通过串口相连接；所述单片机与伺服电机驱动电路相连接；所述假肢电源为单片机、从蓝牙模块提供5V电源，为伺服电机驱动电路提供24V电源；所述髋关节电机和髋角度传感器安装在假肢髋关节上，所述膝关节电机和膝角度传感器安装在假肢膝关节上，所述踝关节电机和踝角度传感器安装在假肢踝关节上；所述伺服电机驱动电路同时与假肢髋关节电机、假肢膝关节电机和假肢踝关节电机相连接；所述髋角度传感器、膝角度传感器和踝角度传感器同时与单片机相连接。所述主蓝牙模块和从蓝牙模块通过透传模式进行通信。所述髋角度传感器、膝角度传感器和踝角度传感器均输出0-5V的模拟电压信号，并在单片机中通过A/D转换变成0-255的数字信号。一种主动型髋关节离断假肢控制方法，包括如下步骤：固定在人体上臂的姿态传感器采集人在行走过程中上臂于人体矢状面内的摆角信息，然后通过主蓝牙模块和从蓝牙模块将摆角信息传送给单片机；所述单片机根据上臂摆角信息和人体上下肢运动协调关系，计算出时时对应的下肢髋关节角、膝关节角和踝关节角作为控制给定角度值，并通过伺服电机驱动电路对假肢的髋关节电机、膝关节电机和踝关节电机进行运动控制，使假肢各关节按照控制给定角度值进行运动；所述髋角度传感器、膝角度传感器和踝角度传感器分别采集假肢髋关节、膝关节和踝关节角度值，并将各关节角度值反馈给给单片机；所述单片机根据各角度传感器反馈的关节角度值与控制给定角度值之间的偏差，对假肢各关节电机进行运动控制，当假肢关节角度达到控制给定角度值时关节停止运动，当假肢关节角度没有达到控制给定角度值时关节继续运动；使髋关节离断截肢者通过上肢的摆动对髋关节离断假肢进行运动控制。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术所述控制系统可以有效识别穿戴者的运动意图，实现假肢的稳定控制，具备结构简单、运行速度快、抗干扰能力强等特点；所述控制方法可以使髋关节离断截肢者根据运动意图通过上肢的摆动对髋关节离断假肢进行运动控制，具备控制操作简单方便、更加人性化的特点。附图说明图1为本专利技术控制系统结构示意图。图2为主动型髋关节离断假肢示意图。图3为主动型髋关节离断假控制方法流程图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的较佳实施例进行详细阐述，以使本专利技术的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本专利技术的保护范围做出更为清楚明确的界定。如图1和图2所示，一种主动型髋关节离断假肢控制系统，包括姿态传感器1、主蓝牙模块2、单片机3、从蓝牙模块4、上肢电源5、假肢电源6、伺服电机驱动电路7、假肢髋关节电机8、假肢膝关节电机9、假肢踝关节电机10、髋角度传感器11、膝角度传感器12和踝角度传感器13；所述姿态传感器1、主蓝牙模块2和上肢电源5在系统工作时通过可穿戴的方式固定于人体上臂；所述姿态传感器1与主蓝牙模块2通过串口相连接；所述上肢电源5同时为姿态传感器1和主蓝牙模块2提供5V电源；所述主蓝牙模块2和从蓝牙模块4进行配对；所述单片机3与从蓝牙模块4通过串口相连接；所述单片机3与伺服电机驱动电路7相连接；所述假肢电源6为单片机3、从蓝牙模块4提供5V电源，为伺服电机驱动电路7提供24V电源；所述髋关节电机8和髋角度传感器11安装在假肢髋关节上，所述膝关节电机9和膝角度传感器12安装在假肢膝关节上，所述踝关节电机10和踝角度传感器13安装在假肢踝关节上；所述伺服电机驱动电路7同时与假肢髋关节电机8、假肢膝关节电机9和假肢踝关节电机10相连接；所述髋角度传感器11、膝角度传感器12和踝角度传感器13同时与单片机3相连接。所述主蓝牙模块2和从蓝牙模块4通过透传模式进行通信。所述髋角度传感器11、膝角度传感器12和踝角度传感器13均输出0-5V的模拟电压信号，并在单片机3中通过A/D转换变成0-255的数字信号。如图3所示，一种主动型髋关节离断假肢控制方法，包括如下步骤：固定在人体上臂的姿态传感器1采集人在行走过程中上臂于人体矢状面内的摆角信息，然后通过主蓝牙模块2和从蓝牙模块4将摆角信息传送给单片机3；所述单片机3根据上臂摆角信息和人体上下肢运动协调关系，计算出时时对应的下肢髋关节角、膝关节角和踝关节角作为控制给定角度值，并通过伺服电机驱动电路7对假肢的髋关节电机8、膝关节电机9和踝关节电机10进行运动控制，使假肢各关节按照控制给定角度值进行运动；所述髋角度传感器11、膝角度传感器12和踝角度传感器13分别采集假肢髋关节、膝关节和踝关节角度值，并将各关节角度值反馈给给单片机3；所述单片机3根据各角度传感器反馈的关节角度值与控制给定角度值之间的偏差，对假肢各关节电机进行运动控制，当假肢关节角度达到控制给定角度值时关节停止运动，当假肢关节角度没有达到控制给定角度值时关节继续运动；使髋关节离断截肢者通过上肢的摆动对髋关节离断假肢进行运动控制。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种主动型髋关节离断假肢控制系统，其特征在于：包括姿态传感器（1）、主蓝牙模块（2）、单片机（3）、从蓝牙模块（4）、上肢电源（5）、假肢电源（6）、伺服电机驱动电路（7）、假肢髋关节电机（8）、假肢膝关节电机（9）、假肢踝关节电机（10）、髋角度传感器（11）、膝角度传感器（12）和踝角度传感器（13）；所述姿态传感器（1）、主蓝牙模块（2）和上肢电源（5）在系统工作时通过可穿戴的方式固定于人体上臂；所述姿态传感器（1）与主蓝牙模块（2）通过串口相连接；所述上肢电源（5）同时为姿态传感器（1）和主蓝牙模块（2）提供5V电源；所述主蓝牙模块（2）和从蓝牙模块（4）进行配对；所述单片机（3）与从蓝牙模块（4）通过串口相连接；所述单片机（3）与伺服电机驱动电路（7）相连接；所述假肢电源（6）为单片机（3）、从蓝牙模块（4）提供5V电源，为伺服电机驱动电路（7）提供24V电源；所述髋关节电机（8）和髋角度传感器（11）安装在假肢髋关节上，所述膝关节电机（9）和膝角度传感器（12）安装在假肢膝关节上，所述踝关节电机（10）和踝角度传感器（13）安装在假肢踝关节上；所述伺服电机驱动电路（7）同时与假肢髋关节电机（8）、假肢膝关节电机（9）和假肢踝关节电机（10）相连接；所述髋角度传感器（11）、膝角度传感器（12）和踝角度传感器（13）同时与单片机（3）相连接。...

【技术特征摘要】
1.一种主动型髋关节离断假肢控制系统，其特征在于：包括姿态传感器（1）、主蓝牙模块（2）、单片机（3）、从蓝牙模块（4）、上肢电源（5）、假肢电源（6）、伺服电机驱动电路（7）、假肢髋关节电机（8）、假肢膝关节电机（9）、假肢踝关节电机（10）、髋角度传感器（11）、膝角度传感器（12）和踝角度传感器（13）；所述姿态传感器（1）、主蓝牙模块（2）和上肢电源（5）在系统工作时通过可穿戴的方式固定于人体上臂；所述姿态传感器（1）与主蓝牙模块（2）通过串口相连接；所述上肢电源（5）同时为姿态传感器（1）和主蓝牙模块（2）提供5V电源；所述主蓝牙模块（2）和从蓝牙模块（4）进行配对；所述单片机（3）与从蓝牙模块（4）通过串口相连接；所述单片机（3）与伺服电机驱动电路（7）相连接；所述假肢电源（6）为单片机（3）、从蓝牙模块（4）提供5V电源，为伺服电机驱动电路（7）提供24V电源；所述髋关节电机（8）和髋角度传感器（11）安装在假肢髋关节上，所述膝关节电机（9）和膝角度传感器（12）安装在假肢膝关节上，所述踝关节电机（10）和踝角度传感器（13）安装在假肢踝关节上；所述伺服电机驱动电路（7）同时与假肢髋关节电机（8）、假肢膝关节电机（9）和假肢踝关节电机（10）相连接；所述髋角度传感器（11）、膝角度传感器（12）和踝角度传感器（13）同时与单片机（3）相连接。2.根据权利要求1所述的主动型髋关节离...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱晋武，李鹏，章亚男，沈林勇，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海,31