專利名稱：雙足步行假肢控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種假肢控制系統(tǒng)，具體是一種雙足步行假肢控制系統(tǒng)。用于康復(fù)器械技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
如何幫助下肢不便的殘疾人實(shí)現(xiàn)自如的活動，這一直是人們想要解決的問題。針對這個難題，人們提出了許多不同的解決方案，例如假肢，輪椅，以及在輪椅基礎(chǔ)上加裝了動力裝置的各種助力輪椅。這些方案都在一定程度上對殘疾人的活動有所幫助，但它們都存在一些局限和不足，無法幫助殘疾人實(shí)現(xiàn)像正常人一樣的自由活動。比如，高位截癱的人士無法安裝假肢；各種形式的輪椅對地面的要求都比較高，它們都只能較好的在平地或較緩的坡地上運(yùn)動，而無法幫助使用者上下樓梯，也不適合在顛簸不平的路面上使用。
步行機(jī)器人能夠在不平的地面上穩(wěn)定的行走，可以取代輪式車完成一些復(fù)雜環(huán)境中的作業(yè)。如果對步行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和改進(jìn)，他還可以負(fù)載較大的重量，完成一些特定的作業(yè)。因此，與輪椅相比，足式步行機(jī)器人在克服地面障礙方面，顯然有著明顯的優(yōu)勢。而在眾多類型的步行機(jī)器人中，無疑雙足步行機(jī)器人最符合人的行進(jìn)方式。
經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，專利申請?zhí)?2139286.2，發(fā)明名稱一種多足步行機(jī)器人及其控制裝置，它的每一條足都具有相同的結(jié)構(gòu)而且可以單獨(dú)控制，所以能夠使現(xiàn)在不平路面上多自由度全方位快速步行，具有良好的機(jī)動性，靈活性以及對環(huán)境的適應(yīng)能力?！捌淇刂蒲b置包括位于髖部中心轉(zhuǎn)軸、大、小腿關(guān)節(jié)傳動軸上的電位計(jì)、位于腳上的接觸開關(guān)及壓力傳感器，以及位于機(jī)架前端的測距傳感器和視覺傳感器，由計(jì)算機(jī)控制機(jī)器人操作”。上述的發(fā)明專利已經(jīng)較好的解決了步行機(jī)器人在復(fù)雜地面條件下行進(jìn)的問題，但是此系統(tǒng)控制的對象是多足機(jī)器人，因此，在控制方式以及行進(jìn)過程中動平衡的實(shí)現(xiàn)方式等方面，它都與雙足機(jī)器人有著很大的不同。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足和缺陷，提供一種雙足步行假肢控制系統(tǒng)，使其保證雙足步行機(jī)器人在承載體重在50～70kg的成年人的條件下，完成前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、上下樓梯等一系列動作，從而幫助殘疾人克服殘障，實(shí)現(xiàn)自如的行動。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括集成控制系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)、座椅平衡系統(tǒng)以及步行系統(tǒng)。集成控制系統(tǒng)包括控制面板和中央處理器，信號采集系統(tǒng)包括力學(xué)傳感器、姿態(tài)傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器，座椅平衡系統(tǒng)包括座椅、減震裝置和平衡調(diào)節(jié)裝置，步行系統(tǒng)包括腿部結(jié)構(gòu)、電機(jī)和減速器。其連接關(guān)系為座椅安裝在腿部結(jié)構(gòu)的上方，控制面板安裝于座椅的扶手處，中央處理器、座椅的減震裝置和平衡調(diào)節(jié)裝置都安裝在座椅的內(nèi)部，電機(jī)和減速器安裝在腿部結(jié)構(gòu)的各個關(guān)節(jié)處。力學(xué)傳感器、姿態(tài)傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器則安裝在步行系統(tǒng)的腳部和各關(guān)節(jié)處，以及座椅的下方。所有的力學(xué)傳感器、姿態(tài)傳感器、電機(jī)以及控制面板，都通過信號傳輸線和中央處理器相連接。
集成控制系統(tǒng)中，控制面板安裝在座椅的扶手處，根據(jù)不同需要加以設(shè)計(jì)，可以是操縱桿式，可以是觸摸屏，也可以是語音控制式，從而能夠使用戶能以多種方式實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的控制。中央處理器是整個步行假肢的“大腦”，用來處理來自信號采集系統(tǒng)的信號，進(jìn)而發(fā)出控制信號，控制各關(guān)節(jié)電機(jī)協(xié)調(diào)工作，調(diào)節(jié)座椅姿態(tài)，完成整個步行過程。作為動力源的電池安裝在座椅的靠背部分。
信號采集系統(tǒng)中，安裝于機(jī)器人關(guān)節(jié)和腳部的力學(xué)傳感器，用于測量步行過程中各部位所受力和力矩大??；安裝于座椅下方的姿態(tài)傳感器可以測得座椅的空間方位信息。A/D轉(zhuǎn)換器主要是將上述的各類傳感器得到的模擬信號轉(zhuǎn)換成適于計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字信號。A/D轉(zhuǎn)換器與傳感器安裝在一起，所有的傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器通過信號傳輸線與中央處理器相連接，從而實(shí)現(xiàn)信號的采集。
座椅平衡系統(tǒng)中，減震裝置采用彈簧，用來降低殘疾人的不適感，同時(shí)盡量保持整個裝置的重心穩(wěn)定。平衡調(diào)節(jié)裝置接收來自于中央處理器的控制信號，然后通過自身的運(yùn)作來實(shí)現(xiàn)對座椅平衡的主動調(diào)整。
步行系統(tǒng)中，腿部結(jié)構(gòu)模仿人的下肢設(shè)計(jì)。腿部的上半部分和下半部分以關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)相聯(lián)結(jié)，關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)上裝有電機(jī)和減速器，以實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動。各電機(jī)與中央處理器相連，以獲取控制信號。
使用時(shí)，用戶通過控制面板來發(fā)出用戶指令；用戶的命令經(jīng)過中央處理器的處理，轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器人指令；步行系統(tǒng)在獲取中央處理器的步行指令后，會開始步行，在步行過程中，機(jī)器人腳部以及各關(guān)節(jié)處安裝的各類傳感器，會將即時(shí)獲取的地面坡度，地面平整度，各關(guān)節(jié)所受力和力矩等各種信號傳遞至信號采集裝置。同樣，安裝在載人機(jī)器人座椅上的傳感器也會將座椅的空間位置信息傳送到信號采集裝置。然后，所有這些信號被送回到中央處理器進(jìn)行處理運(yùn)算。接下來，處理器根據(jù)對這些反饋信號的運(yùn)算處理結(jié)果，來對機(jī)器人進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，以保證行進(jìn)過程中的動態(tài)平衡；同時(shí)對座椅也重新進(jìn)行水平調(diào)節(jié)，以盡量使坐在機(jī)器人上的用戶免于顛簸。
本發(fā)明可以使用計(jì)算機(jī)對步行假肢預(yù)先設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行仿真運(yùn)算，從而得出更為合理，更為科學(xué)的硬件結(jié)構(gòu)模型。在系統(tǒng)中，預(yù)先設(shè)定了不同地面條件下的各種步法，例如平地上的步行，上樓梯，下樓梯，上坡，下坡……當(dāng)?shù)孛鏃l件變化時(shí)，用戶可以通過在控制面板的操作，來選擇最適合的步法。當(dāng)長時(shí)間用同一種步法行進(jìn)時(shí)，可以選擇由控制器自動控制的運(yùn)動模式，這樣，可以減少用戶許多的重復(fù)勞動，也可以更好的保證機(jī)器人的穩(wěn)定性。
本發(fā)明可以較好的實(shí)現(xiàn)對雙足步行假肢的控制，可以實(shí)現(xiàn)步行假肢在承載一個成人的條件下進(jìn)行在平地或樓梯上的步行。同時(shí)，能夠較好的減少座椅的顛簸和傾斜，從而有利于用戶的乘坐。不僅如此，本發(fā)明還可以預(yù)先在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行硬件結(jié)構(gòu)的仿真，從而得出最滿意的硬件模型，這樣可以極大地減少雙足步行假肢制作的成本。


圖1本發(fā)明結(jié)構(gòu)2本發(fā)明的控制結(jié)構(gòu)3本發(fā)明信息處理流程圖具體實(shí)施方式
如圖1-4所示，本發(fā)明包括集成控制系統(tǒng)1、信號采集系統(tǒng)2、座椅平衡系統(tǒng)3以及步行系統(tǒng)4，其中，集成控制系統(tǒng)1包括控制面板5和中央處理器6，信號采集系統(tǒng)2包括力學(xué)傳感器7、姿態(tài)傳感器8和A/D轉(zhuǎn)換器9，座椅平衡系統(tǒng)3包括座椅10、減震裝置11和平衡調(diào)節(jié)裝置12，步行系統(tǒng)4包括腿部結(jié)構(gòu)13、電機(jī)14和減速器15。其連接關(guān)系為座椅10安裝在腿部結(jié)構(gòu)13的上方，控制面板5安裝于座椅10的扶手處，中央處理器6、減震裝置11和平衡調(diào)節(jié)裝置12都安裝在座椅10的內(nèi)部，電機(jī)14和減速器15安裝在腿部結(jié)構(gòu)13各個關(guān)節(jié)處，力學(xué)傳感器7、姿態(tài)傳感器8和A/D轉(zhuǎn)換器9則安裝在步行系統(tǒng)4的腳部和各關(guān)節(jié)處，以及座椅10的下方，所有的力學(xué)傳感器7、姿態(tài)傳感器8、電機(jī)14以及控制面板5都通過信號傳輸線和中央處理器6相連。
控制面板5是操縱桿式，或者是觸摸屏，或者是語音控制式。作為動力源的電池安裝在座椅10的靠背部分。
用戶通過在控制面板5上的操作，來發(fā)出控制指令?？刂浦噶罱?jīng)由信號傳輸線到中央處理器6，然后，中央處理器6根據(jù)用戶的不同指令，控制步行系統(tǒng)4實(shí)現(xiàn)走平地，爬坡等各種不同的步行動作。在行進(jìn)過程中，腿部關(guān)節(jié)處的各個傳感器7實(shí)時(shí)獲取各個關(guān)節(jié)處的力，力矩等數(shù)據(jù)，這些參數(shù)經(jīng)由信號傳輸線傳回中央處理器6，中央處理器6對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算后，對機(jī)器人的姿態(tài)做出調(diào)整，以保證機(jī)器人處于動平衡狀態(tài)。安裝在座椅10上的姿態(tài)傳感器8獲取的是座椅的位姿參數(shù)，他們同樣經(jīng)由信號傳輸線傳回中央處理器6，經(jīng)過運(yùn)算處理，中央處理器6向平衡調(diào)節(jié)裝置12發(fā)出調(diào)整指令，平衡調(diào)節(jié)裝置12根據(jù)指令對座椅10的位姿進(jìn)行主動調(diào)整，以使座椅10盡量保持水平。
權(quán)利要求
1.一種雙足步行假肢機(jī)器人控制系統(tǒng)，包括集成控制系統(tǒng)(1)、信號采集系統(tǒng)(2)、座椅平衡系統(tǒng)(3)以及步行系統(tǒng)(4)，其特征在于，集成控制系統(tǒng)(1)包括控制面板(5)和中央處理器(6)，信號采集系統(tǒng)(2)包括力學(xué)傳感器(7)、姿態(tài)傳感器(8)和A/D轉(zhuǎn)換器(9)，座椅平衡系統(tǒng)(3)包括座椅(10)、減震裝置(11)和平衡調(diào)節(jié)裝置(12)，步行系統(tǒng)(4)包括腿部結(jié)構(gòu)(13)、電機(jī)(14)和減速器(15)，其連接關(guān)系為座椅(10)設(shè)置在腿部結(jié)構(gòu)(13)的上方，控制面板(5)設(shè)置于座椅(10)的扶手處，中央處理器(6)、減震裝置(11)和平衡調(diào)節(jié)裝置(12)設(shè)置在座椅(10)內(nèi)部，電機(jī)(14)和減速器(15)設(shè)置在腿部結(jié)構(gòu)(13)各個關(guān)節(jié)處，力學(xué)傳感器(7)、姿態(tài)傳感器(8)和A/D轉(zhuǎn)換器(9)則設(shè)置在步行系統(tǒng)(4)的腳部和各關(guān)節(jié)處及座椅(10)的下方，力學(xué)傳感器(7)、姿態(tài)傳感器(8)、電機(jī)(14)及控制面板(5)都通過信號傳輸線和中央處理器(6)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙足步行假肢機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征是，控制面板(5)是操縱桿式，或者是觸摸屏，或者是語音控制式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙足步行假肢機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征是，力學(xué)傳感器(7)設(shè)置于步行系統(tǒng)(4)的關(guān)節(jié)處和腳部，姿態(tài)傳感器(8)設(shè)置于座椅(10)下方。
4根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙足步行假肢機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征是，作為動力源的電池安裝在座椅(10)的靠背部分。
全文摘要
一種用于機(jī)器人領(lǐng)域的雙足步行假肢機(jī)器人控制系統(tǒng)，包括集成控制系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)、座椅平衡系統(tǒng)及步行系統(tǒng)，集成控制系統(tǒng)包括控制面板和中央處理器，信號采集系統(tǒng)包括力學(xué)傳感器、姿態(tài)傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器，座椅平衡系統(tǒng)包括座椅、減震裝置和平衡調(diào)節(jié)裝置，步行系統(tǒng)包括腿部結(jié)構(gòu)、電機(jī)和減速器，座椅安裝在腿部結(jié)構(gòu)上方，控制面板安裝于座椅的扶手處，中央處理器、減震裝置和平衡調(diào)節(jié)裝置都安裝在座椅的內(nèi)部，電機(jī)和減速器安裝在腿部結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)處，傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器安裝在步行系統(tǒng)腳部和關(guān)節(jié)處及座椅下方，傳感器、電機(jī)及控制面板通過信號傳輸線和中央處理器相連。本發(fā)明能夠幫助行動困難的殘疾人實(shí)現(xiàn)自由活動。
文檔編號A61F2/70GK1586436SQ20041006642
公開日2005年3月2日 申請日期2004年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月16日
發(fā)明者趙群飛, 緱正, 張慧卿, 鄭承毅 申請人:上海交通大學(xué)