一種動力型假肢膝關節制造技術

本實用新型專利技術公開一種動力型假肢膝關節，包括殘肢髖關節、大腿殘肢假肢接受腔、假肢膝關節、假肢小腿管和假腳，其特征在于該膝關節還包含陀螺儀傳感器模塊、加速度傳感器模塊、足底壓力傳感器模塊、單片機模塊和驅動電機模塊；所述單片機模塊的模擬量輸入端口分別于與陀螺儀傳感器模塊的一路傳感器信號接口和加速度傳感器模塊的兩路信號接口相連接，其數字量輸入端口分別與足底壓力傳感器模塊的兩路傳感器信號接口相連接，其數字量輸出端口分別與驅動電機模塊的兩路控制信號接口相連接；單片機模塊通過對各傳感器信號的綜合分析，控制假肢膝關節的運動。（*該技術在2022年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本技術涉及人體假肢技術，具體為ー種動カ型假肢膝關節，該膝關節具有運動模式感知功能，可對下肢不同行走模式進行有效的識別，進而實現對下肢假肢系統的人機協調運動控制。技術背景 假肢膝關節是截肢者重要的運動功能代償裝置。安裝假肢膝關節可以恢復患者殘缺肢體原有的形態或功能，減輕功能障礙，使患者能夠獨立地生活、學習和工作。目前進入市場的主要有單軸膝關節、多軸膝關節、帶鎖定器膝關節、承重自鎖膝關節、液壓或氣壓控制膝關節、智能型的假肢膝關節和仿生膝關節等，在一定程度上滿足了假肢穿戴者的要求。但是以上的假肢膝關節均為“被動式”假肢，不包括或不具有幫助人行走的動カ機構，不能主動上下樓梯，關節的屈曲依賴于殘肢，伸展也是靠機械式儲能的釋放來實現的，這就在很大程度上限制了殘疾人的運動能力。例如，中國專利申請200480040062. X號文獻報道的“假肢膝關節”就是典型的被動式多軸膝關節，它加入了抵抗彎曲的鎖止裝置，増加了站立和坐下的穩定性，但是在行走時仍然靠截肢者殘端帶動假肢彎曲和伸展，長時間行走會使穿戴者產生疲勞感。中國專利申請99255918. 9號文獻報道的“改進的膝關節”也為被動式單軸膝關節。該假肢裝有緩沖裝置，在膝關節轉動時，可以實現逆時針快速旋轉和順時針緩慢旋轉，解決了行走不方便和不安全的問題，但在行走過程中該假肢也沒有提供行走的動力，并且單軸膝關節設計不能保證站立時的穩定性。中國技術專利ZL200910068093. 0號文獻雖然報道了一種“主動式人腿假肢”，它可為假肢膝關節的運動提供驅動力，但該假肢膝關節沒有人體運動信息檢測裝置，不具備人體運動模式判斷功能，因此不能實現假肢運動的人機協調控制。
技術實現思路
針對現有技術的不足，本技術擬解決的技術問題是，提供一種動カ型假肢膝關節，該膝關節具有運動模式感知功能，采用接受腔上安裝的陀螺儀傳感器、加速度傳感器和足底安裝的壓カ傳感器，并以單片機為控制核心，針對人體運動的隨機性和単一傳感器檢測信息存在偏差及誤判斷的可能，綜合運用模板法和投票法兩種現有的傳感器融合方法，通過對傳感器參數的模式歸類，并在出現矛盾判斷時結合歷史數據進行傳感器之間的投票判定，對下肢不同行走模式進行有效的識別，進而實現對動カ型下肢假肢系統的人機協調運動控制。本技術解決所述技術問題的技術方案是，設計一種動カ型假肢膝關節，包括殘肢髖關節、大腿殘肢假肢接受腔、假肢膝關節、假肢小腿管和假腳，其特征在于該膝關節還包含陀螺儀傳感器模塊、加速度傳感器模塊、足底壓カ傳感器模塊、單片機模塊和驅動電機模塊；所述陀螺儀傳感器模塊包括陀螺儀傳感器及陀螺儀信號調理電路，安裝在大腿殘肢假肢接受腔外面的正前方，位于殘肢髖關節和假肢膝關節的中間位置上；加速度傳感器模塊包括加速度傳感器及加速度傳感器信號調理電路，安裝在接受腔的外側面，位于殘肢髖關節和假肢膝關節之間位置上；足底壓カ傳感器模塊由前足底壓カ傳感器和后足底壓カ傳感器組成，分別安裝在假腳的前、后腳掌中心；驅動電機模塊包括直流電機及其正反轉控制電路，安裝在假肢膝關節與假肢小腿管之間的上部位置上；單片機模塊主要由單片機芯片、最小系統基本電路、模擬量輸入接ロ電路、開關量輸入接ロ電路和開關量輸出接ロ電路組成，安裝在假肢膝關節與假肢小腿管之間低于所述驅動電機模塊下方的位置上；所述單片機模塊的模擬量輸入端ロ分別于與陀螺儀傳感器模塊的一路傳感器信號接ロ和加速度傳感器模塊的兩路信號接ロ相連接其數字量輸入端ロ分別與足底壓カ傳感器模塊的兩路傳感器信號接ロ相連接，其數字量輸出端ロ分別與驅動電機模塊的兩路控制信號接ロ相連接；單片機模塊通過對各傳感器信號的綜合分析，控制假肢膝關節的運動。與現有技術相比，本技術的動カ型假肢膝關節在已有動カ型假肢膝關節的結構基礎上，通過在假肢接受腔上安裝陀螺儀傳感器、加速度傳感器和在足底安裝的壓カ傳感器，建立殘肢側運動信息采集模塊，克服了系統單ー傳感器數據不足的缺陷；通過單片機檢測的各傳感器信息，利用傳感器融合方法，計算出人體運動的步速，并實現對平地/上樓梯/下樓梯/上坡/下坡等典型路況的判別，判斷得出人體的運動模式，以及腳跟觸地/全足支撐/腳跟離地/擺動期等不同行走階段的識別，根據不同情況控制驅動電機，提供動力，實現假肢膝關節與人體運動的協調控制。附圖說明圖1為本技術動カ型假肢膝關節ー種實施例的主體結構示意圖；圖2為本技術動カ型假肢膝關節ー種實施例的前視結構示意圖；圖3為本技術動カ型假肢膝關節ー種實施例的左視結構示意圖；圖4為本技術動カ型 假肢膝關節ー種實施例的整體結構和控制電路示意圖。具體實施方式下面結合實施例及其附圖進一歩敘述本技術。本技術設計的動カ型假肢膝關節(簡稱膝關節，參見圖1-3)，包括殘肢髖關節6、大腿殘肢假肢接受腔7、假肢膝關節8、假肢小腿管9和假腳10，其特征在于該膝關節還包含陀螺儀傳感器模塊1、加速度傳感器模塊2、足底壓カ傳感器模塊3、單片機模塊4和驅動電機模塊5 ；所述陀螺儀傳感器模塊I (簡稱模塊I)包括陀螺儀傳感器11及陀螺儀信號調理電路12兩個部分，安裝在大腿殘肢假肢接受腔7 (簡稱接受腔7)外面的正前方(即人體大腿的正前方)，位于殘肢髖關節6和假肢膝關節8的中間位置上；加速度傳感器模塊2(簡稱模塊2)包括加速度傳感器21及加速度傳感器信號調理電路22兩個部分，安裝在接受腔7的外側面(即人體大腿的外側面)，位于殘肢髖關節6和假肢膝關節8之間位置上；足底壓カ傳感器模塊3 (簡稱模塊3)由前足底壓カ傳感器31和后足底壓カ傳感器32組成，分別安裝在假腳10的前、后腳掌中心；驅動電機模塊5 (簡稱模塊5)主要包括直流電機51及其正反轉控制電路52兩個部分，安裝在假肢膝關節8與假肢小腿管9之間的位置上部；單片機模塊4 (簡稱模塊4)主要由單片機芯片41、最小系統基本電路42、模擬量輸入接ロ電路43、開關量輸入接ロ電路44和開關量輸出接ロ電路45組成，安裝在假肢膝關節8與假肢小腿管9之間低于所述驅動電機模塊5下方的位置上。本技術膝關節所述的模塊I用于測量和采集殘肢運動的角度和角速度信號，具體包括陀螺儀傳感器11及陀螺儀信號調理電路12兩個部分。所測量的角速度信號在放大調理后，經模塊4的模擬量輸入接ロ電路43進行濾波穩壓，與單片機芯片41的AIO端ロ連接，通過信號分析，可以得出殘肢髖關節6的角速度和角度，進而計算得出人體運動的步速，并對平地/上樓梯/下樓梯/上坡/下坡等典型路況進行判別。本技術膝關節所述的模塊2用于測量和采集殘肢運動的加速度，具體包括加速度傳感器21及加速度傳感器信號調理電路22兩個部分。加速度傳感器可分別測量出X軸方向的輸出信號(X軸方向為人體前后方向，選人體運動的前方為X軸的正方向)和Y軸方向的輸出信號(Y軸方向為人體運動的上下方向，選人體運動的上方為Y軸的正方向)，所測量的兩路加速度信號在放大調理后，經模塊4的模擬量輸入接ロ電路43進行濾波穩壓，分別與單片機芯片41的AIl和AI2端ロ連接，通過信號分析，可以得出殘肢髖關節運動的加速度，進而計算得出人體運動的步速及運動趨勢。本技術膝關節所述的模塊3用于檢測和采集假肢運動步態的階段信息，具體包括前足底壓カ傳感器本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種動力型假肢膝關節，包括殘肢髖關節、大腿殘肢假肢接受腔、假肢膝關節、假肢小腿管和假腳，其特征在于該膝關節還包含陀螺儀傳感器模塊、加速度傳感器模塊、足底壓力傳感器模塊、單片機模塊和驅動電機模塊；所述陀螺儀傳感器模塊包括陀螺儀傳感器及陀螺儀信號調理電路，安裝在大腿殘肢假肢接受腔外面的正前方，位于殘肢髖關節和假肢膝關節的中間位置上；加速度傳感器模塊包括加速度傳感器及加速度傳感器信號調理電路，安裝在接受腔的外側面，位于殘肢髖關節和假肢膝關節之間位置上；足底壓力傳感器模塊由前足底壓力傳感器和后足底壓力傳感器組成，分別安裝在假腳的前、后腳掌中心；驅動電機模塊主要包括直流電機及其正反轉控制電路，安裝在假肢膝關節與假肢小腿管之間的上部位置上；單片機模塊主要由單片機芯片、最小系統基本電路、模擬量輸入接口電路、開關量輸入接口電路和開關量輸出接口電路組成，安裝在假肢膝關節與假肢小腿管之間低于所述驅動電機模塊下方的位置上；所述單片機模塊的模擬量輸入端口分別于與陀螺儀傳感器模塊的一路傳感器信號接口和加速度傳感器模塊的兩路信號接口相連接，其數字量輸入端口分別與足底壓力傳感器模塊的兩路傳感器信號接口相連接，其數字量輸出端口分別與驅動電機模塊的兩路控制信號接口相連接；單片機模塊通過對各傳感器信號的綜合分析，控制假肢膝關節的運動。...

【技術特征摘要】
1. 一種動力型假肢膝關節，包括殘肢髖關節、大腿殘肢假肢接受腔、假肢膝關節、假肢小腿管和假腳，其特征在于該膝關節還包含陀螺儀傳感器模塊、加速度傳感器模塊、足底壓力傳感器模塊、單片機模塊和驅動電機模塊；所述陀螺儀傳感器模塊包括陀螺儀傳感器及陀螺儀信號調理電路，安裝在大腿殘肢假肢接受腔外面的正前方，位于殘肢髖關節和假肢膝關節的中間位置上；加速度傳感器模塊包括加速度傳感器及加速度傳感器信號調理電路，安裝在接受腔的外側面，位于殘肢髖關節和假肢膝關節之間位置上；足底壓力傳感器模塊由前足底壓力傳感器和后足底壓力傳感器組成，分別安裝在假腳的前、后腳掌中心；驅動電機模塊主...

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊鵬，劉作軍，陳玲玲，耿艷麗，劉磊，
申請(專利權)人：河北工業大學，
類型：實用新型
國別省市：