专利名称：双足步行假肢控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种假肢控制系统，具体是一种双足步行假肢控制系统。用于康复器械技术领域。
背景技术：
如何帮助下肢不便的残疾人实现自如的活动，这一直是人们想要解决的问题。针对这个难题，人们提出了许多不同的解决方案，例如假肢，轮椅，以及在轮椅基础上加装了动力装置的各种助力轮椅。这些方案都在一定程度上对残疾人的活动有所帮助，但它们都存在一些局限和不足，无法帮助残疾人实现像正常人一样的自由活动。比如，高位截瘫的人士无法安装假肢；各种形式的轮椅对地面的要求都比较高，它们都只能较好的在平地或较缓的坡地上运动，而无法帮助使用者上下楼梯，也不适合在颠簸不平的路面上使用。
步行机器人能够在不平的地面上稳定的行走，可以取代轮式车完成一些复杂环境中的作业。如果对步行机器人的结构作适当的调整和改进，他还可以负载较大的重量，完成一些特定的作业。因此，与轮椅相比，足式步行机器人在克服地面障碍方面，显然有着明显的优势。而在众多类型的步行机器人中，无疑双足步行机器人最符合人的行进方式。
经检索发现，专利申请号02139286.2，发明名称一种多足步行机器人及其控制装置，它的每一条足都具有相同的结构而且可以单独控制，所以能够使现在不平路面上多自由度全方位快速步行，具有良好的机动性，灵活性以及对环境的适应能力。“其控制装置包括位于髋部中心转轴、大、小腿关节传动轴上的电位计、位于脚上的接触开关及压力传感器，以及位于机架前端的测距传感器和视觉传感器，由计算机控制机器人操作”。上述的发明专利已经较好的解决了步行机器人在复杂地面条件下行进的问题，但是此系统控制的对象是多足机器人，因此，在控制方式以及行进过程中动平衡的实现方式等方面，它都与双足机器人有着很大的不同。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的不足和缺陷，提供一种双足步行假肢控制系统，使其保证双足步行机器人在承载体重在50～70kg的成年人的条件下，完成前进、后退、转弯、上下楼梯等一系列动作，从而帮助残疾人克服残障，实现自如的行动。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括集成控制系统、信号采集系统、座椅平衡系统以及步行系统。集成控制系统包括控制面板和中央处理器，信号采集系统包括力学传感器、姿态传感器和A/D转换器，座椅平衡系统包括座椅、减震装置和平衡调节装置，步行系统包括腿部结构、电机和减速器。其连接关系为座椅安装在腿部结构的上方，控制面板安装于座椅的扶手处，中央处理器、座椅的减震装置和平衡调节装置都安装在座椅的内部，电机和减速器安装在腿部结构的各个关节处。力学传感器、姿态传感器和A/D转换器则安装在步行系统的脚部和各关节处，以及座椅的下方。所有的力学传感器、姿态传感器、电机以及控制面板，都通过信号传输线和中央处理器相连接。
集成控制系统中，控制面板安装在座椅的扶手处，根据不同需要加以设计，可以是操纵杆式，可以是触摸屏，也可以是语音控制式，从而能够使用户能以多种方式实现对机器人的控制。中央处理器是整个步行假肢的“大脑”，用来处理来自信号采集系统的信号，进而发出控制信号，控制各关节电机协调工作，调节座椅姿态，完成整个步行过程。作为动力源的电池安装在座椅的靠背部分。
信号采集系统中，安装于机器人关节和脚部的力学传感器，用于测量步行过程中各部位所受力和力矩大小；安装于座椅下方的姿态传感器可以测得座椅的空间方位信息。A/D转换器主要是将上述的各类传感器得到的模拟信号转换成适于计算机处理的数字信号。A/D转换器与传感器安装在一起，所有的传感器和A/D转换器通过信号传输线与中央处理器相连接，从而实现信号的采集。
座椅平衡系统中，减震装置采用弹簧，用来降低残疾人的不适感，同时尽量保持整个装置的重心稳定。平衡调节装置接收来自于中央处理器的控制信号，然后通过自身的运作来实现对座椅平衡的主动调整。
步行系统中，腿部结构模仿人的下肢设计。腿部的上半部分和下半部分以关节机构相联结，关节机构上装有电机和减速器，以实现关节的运动。各电机与中央处理器相连，以获取控制信号。
使用时，用户通过控制面板来发出用户指令；用户的命令经过中央处理器的处理，转化为标准的机器人指令；步行系统在获取中央处理器的步行指令后，会开始步行，在步行过程中，机器人脚部以及各关节处安装的各类传感器，会将即时获取的地面坡度，地面平整度，各关节所受力和力矩等各种信号传递至信号采集装置。同样，安装在载人机器人座椅上的传感器也会将座椅的空间位置信息传送到信号采集装置。然后，所有这些信号被送回到中央处理器进行处理运算。接下来，处理器根据对这些反馈信号的运算处理结果，来对机器人进行姿态调整，以保证行进过程中的动态平衡；同时对座椅也重新进行水平调节，以尽量使坐在机器人上的用户免于颠簸。
本发明可以使用计算机对步行假肢预先设定的参数进行仿真运算，从而得出更为合理，更为科学的硬件结构模型。在系统中，预先设定了不同地面条件下的各种步法，例如平地上的步行，上楼梯，下楼梯，上坡，下坡……当地面条件变化时，用户可以通过在控制面板的操作，来选择最适合的步法。当长时间用同一种步法行进时，可以选择由控制器自动控制的运动模式，这样，可以减少用户许多的重复劳动，也可以更好的保证机器人的稳定性。
本发明可以较好的实现对双足步行假肢的控制，可以实现步行假肢在承载一个成人的条件下进行在平地或楼梯上的步行。同时，能够较好的减少座椅的颠簸和倾斜，从而有利于用户的乘坐。不仅如此，本发明还可以预先在计算机上进行硬件结构的仿真，从而得出最满意的硬件模型，这样可以极大地减少双足步行假肢制作的成本。
图1本发明结构2本发明的控制结构3本发明信息处理流程图具体实施方式
如图1-4所示，本发明包括集成控制系统1、信号采集系统2、座椅平衡系统3以及步行系统4，其中，集成控制系统1包括控制面板5和中央处理器6，信号采集系统2包括力学传感器7、姿态传感器8和A/D转换器9，座椅平衡系统3包括座椅10、减震装置11和平衡调节装置12，步行系统4包括腿部结构13、电机14和减速器15。其连接关系为座椅10安装在腿部结构13的上方，控制面板5安装于座椅10的扶手处，中央处理器6、减震装置11和平衡调节装置12都安装在座椅10的内部，电机14和减速器15安装在腿部结构13各个关节处，力学传感器7、姿态传感器8和A/D转换器9则安装在步行系统4的脚部和各关节处，以及座椅10的下方，所有的力学传感器7、姿态传感器8、电机14以及控制面板5都通过信号传输线和中央处理器6相连。
控制面板5是操纵杆式，或者是触摸屏，或者是语音控制式。作为动力源的电池安装在座椅10的靠背部分。
用户通过在控制面板5上的操作，来发出控制指令。控制指令经由信号传输线到中央处理器6，然后，中央处理器6根据用户的不同指令，控制步行系统4实现走平地，爬坡等各种不同的步行动作。在行进过程中，腿部关节处的各个传感器7实时获取各个关节处的力，力矩等数据，这些参数经由信号传输线传回中央处理器6，中央处理器6对这些数据进行运算后，对机器人的姿态做出调整，以保证机器人处于动平衡状态。安装在座椅10上的姿态传感器8获取的是座椅的位姿参数，他们同样经由信号传输线传回中央处理器6，经过运算处理，中央处理器6向平衡调节装置12发出调整指令，平衡调节装置12根据指令对座椅10的位姿进行主动调整，以使座椅10尽量保持水平。
权利要求
1.一种双足步行假肢机器人控制系统，包括集成控制系统(1)、信号采集系统(2)、座椅平衡系统(3)以及步行系统(4)，其特征在于，集成控制系统(1)包括控制面板(5)和中央处理器(6)，信号采集系统(2)包括力学传感器(7)、姿态传感器(8)和A/D转换器(9)，座椅平衡系统(3)包括座椅(10)、减震装置(11)和平衡调节装置(12)，步行系统(4)包括腿部结构(13)、电机(14)和减速器(15)，其连接关系为座椅(10)设置在腿部结构(13)的上方，控制面板(5)设置于座椅(10)的扶手处，中央处理器(6)、减震装置(11)和平衡调节装置(12)设置在座椅(10)内部，电机(14)和减速器(15)设置在腿部结构(13)各个关节处，力学传感器(7)、姿态传感器(8)和A/D转换器(9)则设置在步行系统(4)的脚部和各关节处及座椅(10)的下方，力学传感器(7)、姿态传感器(8)、电机(14)及控制面板(5)都通过信号传输线和中央处理器(6)相连。
2.根据权利要求1所述的双足步行假肢机器人控制系统，其特征是，控制面板(5)是操纵杆式，或者是触摸屏，或者是语音控制式。
3.根据权利要求1所述的双足步行假肢机器人控制系统，其特征是，力学传感器(7)设置于步行系统(4)的关节处和脚部，姿态传感器(8)设置于座椅(10)下方。
4根据权利要求1所述的双足步行假肢机器人控制系统，其特征是，作为动力源的电池安装在座椅(10)的靠背部分。
全文摘要
一种用于机器人领域的双足步行假肢机器人控制系统，包括集成控制系统、信号采集系统、座椅平衡系统及步行系统，集成控制系统包括控制面板和中央处理器，信号采集系统包括力学传感器、姿态传感器和A/D转换器，座椅平衡系统包括座椅、减震装置和平衡调节装置，步行系统包括腿部结构、电机和减速器，座椅安装在腿部结构上方，控制面板安装于座椅的扶手处，中央处理器、减震装置和平衡调节装置都安装在座椅的内部，电机和减速器安装在腿部结构关节处，传感器和A/D转换器安装在步行系统脚部和关节处及座椅下方，传感器、电机及控制面板通过信号传输线和中央处理器相连。本发明能够帮助行动困难的残疾人实现自由活动。
文档编号A61F2/70GK1586436SQ20041006642
公开日2005年3月2日 申请日期2004年9月16日 优先权日2004年9月16日
发明者赵群飞, 缑正, 张慧卿, 郑承毅 申请人:上海交通大学