專利名稱：單側(cè)機(jī)動假腿的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種由電子計算機(jī)控制的單側(cè)機(jī)動假腿，適合于單側(cè)下肢殘缺者使用。
現(xiàn)有的機(jī)動假腿采用肌電信號或固定程序控制，存在動作不靈活、適應(yīng)性差、步態(tài)不自然等缺點。
本發(fā)明的目的在于提供一種速度、步態(tài)、運動方式都與健側(cè)腿一致的單側(cè)機(jī)動假腿。
本發(fā)明以如下方式實現(xiàn)的本裝置包括1.假腿結(jié)構(gòu)和動力系統(tǒng)由假足、大腿段、小腿段承力結(jié)構(gòu)、各活動關(guān)節(jié)的軸結(jié)構(gòu)以及動力源組成。
2.假腿驅(qū)動系統(tǒng)由假腿各運動關(guān)節(jié)及假足踝關(guān)節(jié)橫向擺動(內(nèi)翻，外翻)驅(qū)動器，如電動機(jī)及其減速器及液壓元件組成。
3.控制系統(tǒng)由電子計算機(jī)系統(tǒng)和通過接口與其相連的裝在健腿和假腿各運動關(guān)節(jié)上的角位置傳感器及裝在假足和健側(cè)足底的壓力傳感器以及通過接口與計算機(jī)系統(tǒng)輸出端相連的各關(guān)節(jié)驅(qū)動電路組成。
運行時，使用者先運動健腿。此時裝在健腿各關(guān)節(jié)上的角位置傳感器，將健腿各關(guān)節(jié)運動參數(shù)經(jīng)采樣器輸入計算機(jī)，并按時間序列寫入RAM中各關(guān)節(jié)存貯區(qū)。計算機(jī)首先根據(jù)健腿各關(guān)節(jié)運動參數(shù)的特征判別其運動方式(即使用者的意圖，例如行走、停止、坐下、起立，等)，將各種運動方式分為兩類一類為交替運動，如行走；第二類為同步運動，如起立。根據(jù)運動方式不同計算機(jī)產(chǎn)生一個滯后信號；交替運動滯后時間為1／2步周期。同步運動無滯后。其中步周期是指健腿行走一步所用時間，根據(jù)健腿運行信號計算得出。交替運動時，在經(jīng)過1／2步周期滯后時間后計算機(jī)用與寫入同一信號相同的速度，讀出存于RAM中的健腿前一步的運動參數(shù)信號，輸出至假腿驅(qū)動器，控制假腿運行。如此，使假腿每一步的動作和動作速度與健腿前一步的動作相同。也就是使假腿模擬健腿前半步的動作。如果動作方式為同步運動，則將健腿運動參數(shù)信號直接輸送至假腿驅(qū)動器。使其與健腿作同步運動。
由于上述控制方式使假腿具有操縱方便，運動靈活，步態(tài)自然等優(yōu)點。
以下結(jié)合附圖作進(jìn)一步詳細(xì)說明


圖1是假腿結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是健腿傳感器安裝示意圖。
圖3是本裝置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
圖4是各傳感器采樣電路原理圖圖5是假腿各關(guān)節(jié)驅(qū)動電路原理圖圖6是本裝置步行動作示意圖。
圖7是本裝置控制系統(tǒng)流程圖。
參照
圖1，在膝關(guān)節(jié)擺動軸①、踝關(guān)節(jié)橫向軸②及踝關(guān)節(jié)縱向軸③上都裝有角位置傳感器④。在假足底部⑤裝有3個壓力傳感器⑥。膝關(guān)節(jié)驅(qū)動器⑦、踝關(guān)節(jié)曲伸驅(qū)動器⑧和踝關(guān)節(jié)橫向擺動(內(nèi)、外翻)驅(qū)動器⑨，由伺服電動機(jī)⑩減速器(11)和傳動機(jī)構(gòu)組成。
參照圖2，在健側(cè)腿的髖、膝、踝關(guān)節(jié)外側(cè)裝有用帶(12)固定的角位置傳感器(13)在健足底裝有壓力傳感器(14)，其數(shù)量和排列與假足相同。上述各角位置傳感器采用光柵式角度數(shù)字編碼盤。壓力傳感器采用電阻應(yīng)變式壓力傳感器。
參照圖3，各角度和壓力傳感器(15)經(jīng)采樣器(16)與計算機(jī)(17)的輸入接口端相連。計算機(jī)的輸出端經(jīng)過輸出接口與假腿各關(guān)節(jié)驅(qū)動電路(18)相連接。
參照圖4，由各關(guān)節(jié)角位置傳感器和雙足底壓力傳感器采集的各關(guān)節(jié)角位置信號和足底壓力信號輸入多路器的輸入端Sr，多路器的輸出端So與計算機(jī)的輸入接口相連接，計算機(jī)通過改變輸出至通道地址寄存器輸入端A1，2，3的地址信號，實現(xiàn)對各傳感器的周期采樣。
參照圖5，由計算機(jī)輸出接口輸出的速度控制脈沖輸出至脈沖分配器CH250的輸入端CL，方向控制信號輸出至方向控制輸入端C。CH250的A，B，C三個輸出端分別與PA、PB、PC3個結(jié)構(gòu)相同的功率放大器輸入端相連接，功率放大器的輸出端分別與步進(jìn)電機(jī)的繞組LA、LB、LC相連接。
參照圖6，首先對步行過程作一簡要分析靜止站立時健足(19)與假足(20)處于相同位置。開始行走后健腿先跨出第一步(21)稱為健腿啟始步，繼而假腿應(yīng)在健足著地后跨出假腿啟始步(22)，由圖可知健腿啟始步步距小于假腿啟始步，因此不能使用健腿啟始步運動參數(shù)作為假腿啟始步的控制信號，而要采用另外的控制方法。在啟始步完成后進(jìn)入連續(xù)步行狀態(tài)，此時兩腿交替運動步幅步態(tài)一致。因此可以用健腿每一步的運動參數(shù)信號滯后1／2步周期作為假腿下一步運動的控制信號。如圖中假腿運動(23)的控制信號可采用健腿前半步運動(24)的運動參數(shù)信號。當(dāng)使用者停止步行時首先停止健腿運動，此時假腿應(yīng)作終止步運動(25)。終止步步距應(yīng)等于連續(xù)步的1／2以使得在停止步行后兩腿并攏(26)。通過以上分析可知在連續(xù)步行中假腿與健腿動作相同，相差1／2步周期，可以采用健腿運動參數(shù)信號直接控制假腿運動，而在啟動步和終止步中假腿與健腿動作不同，需使用特殊方法進(jìn)行控制。
參照圖7，在運行中，裝在健腿和假腿各運動關(guān)節(jié)及足底傳感器連續(xù)采取健腿的運動參數(shù)，并按時間序列依次寫入各傳感器的存貯區(qū)。并按步周期進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新。
在健腿運動開始后，立即進(jìn)行健腿運動方式判別，其目的是在使用者開始運動健腿時，判斷其將要進(jìn)行的運動方式，例如啟步、行走、停止、坐下、起立等。以便控制假腿以相同的方式運動。這一判斷的依據(jù)是健腿在作不同方式的運動時，其各個關(guān)節(jié)的角位置及身體重心位置的變化有一定的相對關(guān)系。例如啟步時，在健腿膝關(guān)節(jié)屈曲的同時身體重心向前轉(zhuǎn)移。在起立時，在重心前移的同時健腿膝關(guān)節(jié)作伸運動。而坐下時，在膝關(guān)節(jié)曲的同時，身體重心后移等。將各種健腿不同運動方式的關(guān)節(jié)角位置及重心改變特征參數(shù)預(yù)先存貯在計算機(jī)的ROM中。并與當(dāng)時由健腿關(guān)節(jié)角位置及重心傳感器采集的運動參數(shù)進(jìn)行相關(guān)比較。就能夠判定健腿當(dāng)前的運動方式。其運動方式可分為兩類同步運動，如下蹲、下坐、起立等；交替運動，如行走、跑等。
如果判定為起立、坐下等，兩腿同時運動的同步運動方式，則轉(zhuǎn)入同步運動模塊。此模塊將健腿各關(guān)節(jié)傳感器輸出信號，經(jīng)簡單處理成為假腿驅(qū)動信號后，立即輸送至假腿驅(qū)動器，使兩腿在運行中同步動作。
如果判定為行走等兩腿作交替動作的運動方式，則轉(zhuǎn)入交替運動模塊。此模塊中首先進(jìn)行啟始步判別。即判別健腿是否在進(jìn)行啟始步運動。進(jìn)行這一判別的依據(jù)是根據(jù)在此前健腿是否有步行運動，兩腿是否處于相同位置。
如果判定為啟始步，則轉(zhuǎn)入啟始步運行模塊。因為正常人在啟始步中兩腿動作不同，無法以健腿動作參數(shù)控制假腿運行，所以，在計算機(jī)的ROM中存有假腿啟始步控制程序。這段程序是對健康人啟始步運動參數(shù)進(jìn)行測量而得到的。在啟始步中假腿的運動由這段程序控制。啟始步完成后，轉(zhuǎn)入連續(xù)步行。由連續(xù)步行模塊控制。
在連續(xù)步行控制模塊中，把寫在RAM中的健腿傳感器采集的運動參數(shù)信號，在滯后1／2步周期后，用與寫入時相同的順序和速度讀出。在進(jìn)行簡單處理使成為假腿驅(qū)動信號后，輸出至假腿驅(qū)動器控制假腿運行。步周期長度依據(jù)健足底壓力感受器采集的信號經(jīng)簡單計算求出。
當(dāng)使用者停止步行時，首先停止健腿的運動，此時運動方式判別模塊根據(jù)健腿運動停止，并且身體重心定位于健腿即可判定為終止步，并轉(zhuǎn)入終止步運行控制模塊。
在終止步控制模塊中，將假腿終止運動前最后一步各關(guān)節(jié)運動均減少1／2幅度，并停止于各關(guān)節(jié)角度與健腿相同的位置。以使得當(dāng)使用者停止步行時假腿跟行半步后與健腿靠攏并停止運動。
為了讓使用者在站立和行走中更加穩(wěn)定，還設(shè)有假足踝關(guān)節(jié)平衡補(bǔ)償控制模塊。其過程是計算機(jī)根據(jù)假足底壓力傳感器采集的人體重心改變參數(shù)，監(jiān)視人體重心移動并通過踝關(guān)節(jié)橫向擺動(內(nèi)、外翻)驅(qū)動器使假足作相應(yīng)的橫向擺動而實現(xiàn)的。
權(quán)利要求1.一種由假足、大腿段、小腿段、聯(lián)接以上各部分的活動關(guān)節(jié)以及各關(guān)節(jié)驅(qū)動器所構(gòu)成的單側(cè)機(jī)動假腿，其特征在于有a.裝在假腿及對側(cè)健腿各運動關(guān)節(jié)上的角位置傳感器，裝在假足底部和對側(cè)健足底部的壓力傳感器，所述的各傳感器的輸出端，通過采樣電路與能控制假腿模擬健腿動作的計算機(jī)系統(tǒng)的輸入端相連接，所述的各傳感器將各關(guān)節(jié)運動參數(shù)信號輸入計算機(jī)順序?qū)懭隦AM中各關(guān)節(jié)存貯區(qū)，b.假腿驅(qū)動電路，所述的假腿驅(qū)動電路由脈沖分配器和放大器相連組成，所述的假腿驅(qū)動電路的輸出端與假腿驅(qū)動器的輸入端相連接，所述的假腿驅(qū)動電路的輸入端與計算機(jī)系統(tǒng)的輸出端相連接，所述的驅(qū)動電路接受計算機(jī)輸出的存貯在RAM中的健腿各關(guān)節(jié)運動參數(shù)信號，c.用于身體平衡補(bǔ)償?shù)难b在假足踝關(guān)節(jié)上的假足踝關(guān)節(jié)橫向擺動(內(nèi)翻，外翻)驅(qū)動器，所述的踝關(guān)節(jié)橫向擺動驅(qū)動器的輸入端，通過驅(qū)動電路與計算機(jī)系統(tǒng)的輸出端相連。
2.如權(quán)利要求1所述的單側(cè)機(jī)動假腿，其特征在于所述的計算機(jī)系統(tǒng)包括采樣電路、與之相連的輸入接口、輸入端與輸入接口相連的CPU、與CPU輸出端相連的輸出接口、以及與CPU相連的RAM和ROM組成，所述的計算機(jī)系統(tǒng)能將由健腿各傳感器輸入的健腿運動參數(shù)信號與存貯在ROM中的健腿運動特征參數(shù)信號進(jìn)行相關(guān)比較，產(chǎn)生健腿運動方式信號，并能根據(jù)這一運動方式信號產(chǎn)生相應(yīng)的滯后長度信號，所述的計算機(jī)系統(tǒng)能根據(jù)這一滯后信號實現(xiàn)將健腿各關(guān)節(jié)運動參數(shù)信號寫入RAM與讀出RAM輸送至假腿驅(qū)動器之間的滯后時間。所述的計算機(jī)系統(tǒng)能在啟始步運行時實現(xiàn)將存貯于ROM中的啟始步運行控制程序讀出并輸送至假腿驅(qū)動器。所述的計算機(jī)系統(tǒng)能在終止步運行時將輸出至假腿各關(guān)節(jié)驅(qū)動器的控制信號中的幅度參數(shù)減小1／2。
3.如權(quán)利要求2所述的單側(cè)機(jī)動假腿，其特征是所述的計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)裝有寫有用于判別健腿運動方式的健腿運動特征參數(shù)和假腿啟始步運行控制信號的ROM。
專利摘要一種由電子計算機(jī)實時控制，在假腿及健腿各運動關(guān)節(jié)都裝有角位置傳感器，在雙側(cè)足底都裝有壓力傳感器的單側(cè)機(jī)動假腿。在其運行中，計算機(jī)從健腿各關(guān)節(jié)角位置傳感器采集其運動參數(shù)信號存入RAM。在進(jìn)行判別和滯后輸出至假腿驅(qū)動器?？刂萍偻饶M健腿運動。因此，使得假腿的運行方式、速度、步態(tài)都與健腿相同。
文檔編號A61F2/60GK2043873SQ8822018
公開日1989年9月6日 申請日期1988年11月21日 優(yōu)先權(quán)日1988年11月21日
發(fā)明者張紅軍, 張玉萍 申請人:張紅軍