一种骨科助行器的制作方法

本发明属于助行器
技术领域：
，尤其涉及一种骨科助行器。
背景技术：
：骨科助行器，就是可以让通过器械的支撑，让腿脚不方便或者残疾的老人病人等腿脚不灵活甚至失去行走能力的人能够自理，能够和正常人一样外出散步。目前的骨科助行器，结构简单，驱动效果差，无法自动调节骨科助行器的高度以适应不同身高的人群和抗震缓冲效果差。技术实现要素：本发明为解决目前的骨科助行器，结构简单，驱动效果差，无法自动调节骨科助行器的高度以适应不同身高的人群和抗震缓冲效果差的技术问题而提供一种骨科助行器。本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种骨科助行器，包括脚支板、踝关节、小腿、踝驱动器装置、电动伸缩杆、抗震缓冲装置、旋转轴、大腿、膝关节、髋驱动器装置、髋弯曲关节、计算机和能量托架、后背架、系带装置和膝关节驱动器装置；所述脚支板通过踝关节与小腿铰接，所述小腿的右上端固定有踝驱动器装置，所述小腿上端固定有电动伸缩杆，所述电动伸缩杆包括伸缩柱和气缸，所述伸缩柱通过抗震缓冲装置与旋转轴的下端连接，所述旋转轴的上端通过膝关节与大腿铰接，所述大腿的右端固定有髋驱动器装置，所述大腿的左端固定有膝关节驱动器装置，所述大腿的上端通过髋弯曲关节与后背架的下端固定连接，所述后背架的左下端固定有计算机和能量托架，所述后背架的右侧固定有系带装置；所述踝驱动器装置、旋转轴、髋驱动器装置、膝关节驱动器装置均通过信号与计算机连接。进一步，所述抗震缓冲装置包括第一T型连接头、刚性弹簧和第二T型连接头。进一步，所述电动伸缩杆通过交接螺丝与小腿上端固定连接。进一步，所述脚支板的下底面固定有耐磨橡胶垫片。进一步，所述踝驱动器装置设置有踝驱动电机、踝电机驱动单元；所述踝电机驱动单元分别与计算机、踝驱动电机信号连接；所述踝电机驱动单元设置有踝驱动信号采集模块、踝驱动同步正交跳频信号盲源分离模块、踝驱动跳频混合信号调整模块、踝驱动加速度检测器、踝驱动位置检测器；所述踝驱动加速度检测器、踝驱动位置检测器均通过信号与踝驱动信号采集模块连接；踝驱动信号采集模块分别与踝驱动跳频混合信号调整模块、踝驱动同步正交跳频信号盲源分离模块信号连接；所述踝驱动同步正交跳频信号盲源分离模块与踝驱动电机信号连接；所述踝驱动信号采集模块用于将踝驱动加速度检测器和踝驱动位置检测器采集的信号转换成相对应的跳频信号；所述髋驱动器装置设置有髋驱动电机、髋电机驱动单元；所述髋电机驱动单元分别与计算机、髋驱动电机信号连接；所述髋电机驱动单元设置有髋驱动信号采集模块、髋驱动同步正交跳频信号盲源分离模块、髋驱动跳频混合信号调整模块、髋驱动加速度检测器、髋驱动位置检测器；所述髋驱动加速度检测器、髋驱动位置检测器均通过信号与髋驱动信号采集模块连接；髋驱动信号采集模块分别与髋驱动跳频混合信号调整模块、髋驱动同步正交跳频信号盲源分离模块信号连接；所述髋驱动同步正交跳频信号盲源分离模块与髋驱动电机信号连接；所述髋驱动信号采集模块用于将髋驱动加速度检测器和髋驱动位置检测器采集的信号转换成相对应的跳频信号；所述膝关节驱动器装置设置有膝关节驱动电机、膝关节电机驱动单元；所述膝关节电机驱动单元分别与计算机、膝关节驱动电机信号连接；所述膝关节电机驱动单元设置有膝关节驱动信号采集模块、膝关节驱动同步正交跳频信号盲源分离模块、膝关节驱动跳频混合信号调整模块、膝关节驱动加速度检测器、膝关节驱动位置检测器；所述膝关节驱动加速度检测器、膝关节驱动位置检测器均通过信号与膝关节驱动信号采集模块连接；膝关节驱动信号采集模块分别与膝关节驱动跳频混合信号调整模块、膝关节驱动同步正交跳频信号盲源分离模块信号连接；所述膝关节驱动同步正交跳频信号盲源分离模块与膝关节驱动电机信号连接；所述膝关节驱动信号采集模块用于将膝关节驱动加速度检测器和膝关节驱动位置检测器采集的信号转换成相对应的跳频信号。进一步，所述踝驱动同步正交跳频信号盲源分离模块的同步正交跳频信号盲源分离方法包括：步骤一，利用踝驱动同步正交跳频信号盲源分离模块含有M个阵元的阵列天线接收来自踝驱动信号采集模块的跳频信号，对每一路接收信号进行采样，得到采样后的M路离散时域混合信号步骤二，对M路离散时域混合信号进行重叠加窗短时傅里叶变换，得到M个混合信号的时频域矩阵其中P表示总的窗数，Nfft表示FFT变换长度；在步骤二中，(p，q)表示时频索引，具体的时频值为这里Nfft表示FFT变换的长度，p表示加窗次数，Ts表示采样间隔，fs表示采样频率，C为整数，表示短时傅里叶变换加窗间隔的采样点数，C＜Nfft，且Kc＝Nfft/C为整数，也就是说采用的是重叠加窗的短时傅里叶变换；步骤三，对步骤二中得到的跳频混合信号时频域矩阵进行预处理；步骤四，利用聚类算法估计每一跳的跳变时刻以及各跳对应的归一化的混合矩阵列向量、跳频频率；在p(p＝0，1，2，…P-1)时刻，对表示的频率值进行聚类，得到的聚类中心个数表示p时刻存在的载频个数，个聚类中心则表示载频的大小，分别用表示；对每一采样时刻p(p＝0，1，2，…P-1)，利用聚类算法对进行聚类，同样可得到个聚类中心，用表示；对所有求均值并取整，得到源信号个数的估计即：N^=round(1pΣp=0P-1N^p);]]>找出的时刻，用ph表示，对每一段连续取值的ph求中值，用表示第l段相连ph的中值，则表示第l个频率跳变时刻的估计；根据估计得到的以及第四步中估计得到的频率跳变时刻估计出每一跳对应的个混合矩阵列向量具体公式为：a^n(l)=1p‾h(1)·Σp=1,p≠php‾h(1)bn,p0l=1,1p‾h(l)-p‾h(l-1)·Σp=p‾h(l-1)+1,p≠php‾h(l)bn,p0l>1,,n=1,2,...,N^]]>这里表示第l跳对应的个混合矩阵列向量估计值；估计每一跳对应的载频频率，用表示第l跳对应的个频率估计值，计算公式如下：f^c,n(l)=1p‾h(1)·Σp=1,p≠php‾h(1)fon(p)l=1,1p‾h(l)-p‾h(l-1)·Σp=p‾h(l-1)+1,p≠php‾h(l)fon(p)l>1,,n=1,2,...,N^;]]>步骤五，根据步骤四估计得到的归一化混合矩阵列向量估计时频域跳频源信号；步骤六，对不同跳频点之间的时频域跳频源信号进行拼接；估计第l跳对应的个入射角度，用表示第l跳第n个源信号对应的入射角度，的计算公式如下：θ^n(l)=1M-1Σm=2Msin-1[angle(a^n,m(l)/a^n,m-1(l))*c2πf^c,n(l)d],n=1,2,...,N^]]>表示第l跳估计得到的第n个混合矩阵列向量的第m个元素，c表示光速，即vc＝3×108米/秒；判断第l(l＝2，3，…)跳估计的源信号与第一跳估计的源信号之间的对应关系，判断公式如下：mn(l)=argminm|θ^m(l)-θ^n(1)|,n=1,2,...,N^;]]>其中mn(l)表示第l跳估计的第mn(l)个信号与第一跳估计的第n个信号属于同一个源信号；将不同跳频点估计到的属于同一个源信号的信号拼接在一起，作为最终的时频域源信号估计，用Yn(p,q)表示第n个源信号在时频点(p,q)上的时频域估计值，p＝0,1,2,....,P，q＝0,1,2,...,Nfft-1，即：步骤七，根据源信号时频域估计值，恢复时域跳频源信号；对每一采样时刻p(p＝0，1，2，…)的频域数据Yn(p,q),q＝0,1,2,…,Nfft-1做Nfft点的IFFT变换，得到p采样时刻对应的时域跳频源信号，用yn(p,qt)(qt＝0,1,2,…,Nfft-1)表示；对上述所有时刻得到的时域跳频源信号yn(p,qt)进行合并处理，得到最终的时域跳频源信号估计，具体公式如下：sn[kC:(k+1)C-1]=Σm=0kyn[m,(k-m)C:(k-m+1)C-1]k<KcΣm=k-Kc+1kyn[m,(k-m)C:(k-m+1)C-1]k≥Kc,k=0,1,2,...]]>这里Kc＝Nfft/C，C为短时傅里叶变换加窗间隔的采样点数，Nfft为FFT变换的长度。进一步，所述步骤三中利用踝驱动跳频混合信号调整模块对得到的跳频混合信号时频域矩阵进行预处理；具体包括：第一步，对进行去低能量预处理，即在每一采样时刻p，将幅值小于门限ε的值置0，得到门限ε的设定根据接收信号的平均能量来确定；第二步，找出p时刻(p＝0,1,2,…P-1)非零的时频域数据，用表示，其中表示p时刻时频响应非0时对应的频率索引，对这些非零数据归一化预处理，得到预处理后的向量b(p,q)＝[b1(p,q),b2(p,q),…,bM(p,q)]T，其中进一步，所述踝驱动加速度检测器的接收信号y(t)表示为：y(t)＝x(t)+n(t)；其中，x(t)为数字调制信号，n(t)为服从标准SαS分布的脉冲噪声，x(t)的解析形式表示为：其中，N为采样点数，an为发送的信息符号，在MASK信号中，an＝0，1，2，…，M-1，M为调制阶数，an＝ej2πε/M，ε＝0,1,2,…,M-1，g(t)表示矩形成型脉冲，Tb表示符号周期，fc表示载波频率，载波初始相位是在[0,2π]内均匀分布的随机数。进一步，髋电机驱动单元、膝关节电机驱动单元的信号处理方法原理与踝电机驱动单元的信号处理方法原理相同。本发明另一目的在于提供一种利用上述的骨科助行器的老年助行器。本发明具有的优点和积极效果是：该骨科助行器，通过设置踝驱动器和髋驱动器，使得下肢外骨骼助力机器人的驱动效果好；通过设置电动伸缩杆带动大腿的升降，达到调节下肢外骨骼高度的目的，使得能够自动调节下肢外骨骼的高度以适应不同身高的人群；通过设置抗震缓冲装置，并且抗震缓冲装置包括第一T型连接头、刚性弹簧和第二T型连接头，使得人们在使用该骨科助行器的时候可以起到抗震缓冲的功能，使得该骨科助行器的抗震缓冲效果好，给人舒适的感觉。本发明集信号处理方法于一体，实现了功能多样化和完全智能化，提高了骨科助行器的控制能力。附图说明图1是本发明实施例提供的骨科助行器结构示意图；图2是本发明实施例提供的电动伸缩杆结构示意图；图3是本发明实施例提供的抗震缓冲装置结构示意图。图中：1、脚支板；2、踝关节；3、小腿；4、踝驱动器装置；5、电动伸缩杆；5-1、伸缩柱；5-2、气缸；6、抗震缓冲装置；6-1、第一T型连接头；6-2、刚性弹簧；6-3、第二T型连接头；7、旋转轴；8、大腿；9、膝关节；10、髋驱动器装置；11、髋弯曲关节；12、计算机和能量托架；13、后背架；14、系带装置；15、膝关节驱动器装置。具体实施方式为能进一步了解本发明的
发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下。下面结合图1-图3对本发明的结构作详细的描述。本发明实施例提供的骨科助行器，包括脚支板1、踝关节2、小腿3、踝驱动器装置4、电动伸缩杆5、抗震缓冲装置6、旋转轴7、大腿8、膝关节9、髋驱动器装置10、髋弯曲关节11、计算机和能量托架12、后背架13、系带装置14和膝关节驱动器装置15，所述脚支板1通过踝关节2与小腿3铰接；所述小腿3的右上端固定有踝驱动器4；所述小腿3上端固定有电动伸缩杆5；所述电动伸缩杆5包括伸缩柱5-1和气缸5-2，所述伸缩柱5-1通过抗震缓冲装置6与旋转轴7的下端连接；所述旋转轴7的上端通过膝关节9与大腿8铰接；所述大腿8的右端固定有髋驱动器10；所述大腿8的左端固定有膝关节驱动器15；所述大腿8的上端通过髋弯曲关节11与后背架13的下端固定连接；所述后背架13的左下端固定有计算机和能量托架12；所述后背架13的右侧固定有系带装置14。所述踝驱动器装置、旋转轴、髋驱动器装置、膝关节驱动器装置均通过信号与计算机连接。所述抗震缓冲装置6包括第一T型连接头6-1、刚性弹簧6-2和第二T型连接头6-3。所述所述电动伸缩杆5通过交接螺丝与小腿3上端固定连接。所述所述脚支板1的下底面固定有耐磨橡胶垫片。所述踝驱动器装置设置有踝驱动电机、踝电机驱动单元；所述踝电机驱动单元分别与计算机、踝驱动电机信号连接；所述踝电机驱动单元设置有踝驱动信号采集模块、踝驱动同步正交跳频信号盲源分离模块、踝驱动跳频混合信号调整模块、踝驱动加速度检测器、踝驱动位置检测器；所述踝驱动加速度检测器、踝驱动位置检测器均通过信号与踝驱动信号采集模块连接；踝驱动信号采集模块分别与踝驱动跳频混合信号调整模块、踝驱动同步正交跳频信号盲源分离模块信号连接；所述踝驱动同步正交跳频信号盲源分离模块与踝驱动电机信号连接；所述踝驱动信号采集模块用于将踝驱动加速度检测器和踝驱动位置检测器采集的信号转换成相对应的跳频信号；所述髋驱动器装置设置有髋驱动电机、髋电机驱动单元；所述髋电机驱动单元分别与计算机、髋驱动电机信号连接；所述髋电机驱动单元设置有髋驱动信号采集模块、髋驱动同步正交跳频信号盲源分离模块、髋驱动跳频混合信号调整模块、髋驱动加速度检测器、髋驱动位置检测器；所述髋驱动加速度检测器、髋驱动位置检测器均通过信号与髋驱动信号采集模块连接；髋驱动信号采集模块分别与髋驱动跳频混合信号调整模块、髋驱动同步正交跳频信号盲源分离模块信号连接；所述髋驱动同步正交跳频信号盲源分离模块与髋驱动电机信号连接；所述髋驱动信号采集模块用于将髋驱动加速度检测器和髋驱动位置检测器采集的信号转换成相对应的跳频信号；所述膝关节驱动器装置设置有膝关节驱动电机、膝关节电机驱动单元；所述膝关节电机驱动单元分别与计算机、膝关节驱动电机信号连接；所述膝关节电机驱动单元设置有膝关节驱动信号采集模块、膝关节驱动同步正交跳频信号盲源分离模块、膝关节驱动跳频混合信号调整模块、膝关节驱动加速度检测器、膝关节驱动位置检测器；所述膝关节驱动加速度检测器、膝关节驱动位置检测器均通过信号与膝关节驱动信号采集模块连接；膝关节驱动信号采集模块分别与膝关节驱动跳频混合信号调整模块、膝关节驱动同步正交跳频信号盲源分离模块信号连接；所述膝关节驱动同步正交跳频信号盲源分离模块与膝关节驱动电机信号连接；所述膝关节驱动信号采集模块用于将膝关节驱动加速度检测器和膝关节驱动位置检测器采集的信号转换成相对应的跳频信号。进一步，所述踝驱动同步正交跳频信号盲源分离模块的同步正交跳频信号盲源分离方法包括：步骤一，利用踝驱动同步正交跳频信号盲源分离模块含有M个阵元的阵列天线接收来自踝驱动信号采集模块的跳频信号，对每一路接收信号进行采样，得到采样后的M路离散时域混合信号步骤二，对M路离散时域混合信号进行重叠加窗短时傅里叶变换，得到M个混合信号的时频域矩阵其中P表示总的窗数，Nfft表示FFT变换长度；在步骤二中，(p，q)表示时频索引，具体的时频值为这里Nfft表示FFT变换的长度，p表示加窗次数，Ts表示采样间隔，fs表示采样频率，C为整数，表示短时傅里叶变换加窗间隔的采样点数，C＜Nfft，且Kc＝Nfft/C为整数，也就是说采用的是重叠加窗的短时傅里叶变换；步骤三，对步骤二中得到的跳频混合信号时频域矩阵进行预处理；步骤四，利用聚类算法估计每一跳的跳变时刻以及各跳对应的归一化的混合矩阵列向量、跳频频率；在p(p＝0，1，2，…P-1)时刻，对表示的频率值进行聚类，得到的聚类中心个数表示p时刻存在的载频个数，个聚类中心则表示载频的大小，分别用表示；对每一采样时刻p(p＝0，1，2，…P-1)，利用聚类算法对进行聚类，同样可得到个聚类中心，用表示；对所有求均值并取整，得到源信号个数的估计即：N^=round(1pΣp=0P-1N^p);]]>找出的时刻，用ph表示，对每一段连续取值的ph求中值，用表示第l段相连ph的中值，则表示第l个频率跳变时刻的估计；根据估计得到的以及第四步中估计得到的频率跳变时刻估计出每一跳对应的个混合矩阵列向量具体公式为：a^n(l)=1p‾h(1)·Σp=1,p≠php‾h(1)bn,p0l=1,1p‾h(l)-p‾h(l-1)·Σp=p‾h(l-1)+1,p≠php‾h(l)bn,p0l>1,,n=1,2,...,N^]]>这里表示第l跳对应的个混合矩阵列向量估计值；估计每一跳对应的载频频率，用表示第l跳对应的个频率估计值，计算公式如下：f^c,n(l)=1p‾h(1)·Σp=1,p≠php‾h(1)fon(p)l=1,1p‾h(l)-p‾h(l-1)·Σp=p‾h(l-1)+1,p≠php‾h(l)fon(p)l>1,,n=1,2,...,N^;]]>步骤五，根据步骤四估计得到的归一化混合矩阵列向量估计时频域跳频源信号；步骤六，对不同跳频点之间的时频域跳频源信号进行拼接；估计第l跳对应的个入射角度，用表示第l跳第n个源信号对应的入射角度，的计算公式如下：θ^n(l)=1M-1Σm=2Msin-1[angle(a^n,m(l)/a^n,m-1(l))*c2πf^c,n(l)d],n=1,2,...,N^]]>表示第l跳估计得到的第n个混合矩阵列向量的第m个元素，c表示光速，即vc＝3×108米/秒；判断第l(l＝2，3，…)跳估计的源信号与第一跳估计的源信号之间的对应关系，判断公式如下：mn(l)=argminm|θ^m(l)-θ^n(1)|,n=1,2,...,N^;]]>其中mn(l)表示第l跳估计的第mn(l)个信号与第一跳估计的第n个信号属于同一个源信号；将不同跳频点估计到的属于同一个源信号的信号拼接在一起，作为最终的时频域源信号估计，用Yn(p,q)表示第n个源信号在时频点(p,q)上的时频域估计值，p＝0,1,2,....,P，q＝0,1,2,...,Nfft-1，即：步骤七，根据源信号时频域估计值，恢复时域跳频源信号；对每一采样时刻p(p＝0，1，2，…)的频域数据Yn(p,q),q＝0,1,2,…,Nfft-1做Nfft点的IFFT变换，得到p采样时刻对应的时域跳频源信号，用yn(p,qt)(qt＝0,1,2,…,Nfft-1)表示；对上述所有时刻得到的时域跳频源信号yn(p,qt)进行合并处理，得到最终的时域跳频源信号估计，具体公式如下：sn[kC:(k+1)C-1]=Σm=0kyn[m,(k-m)C:(k-m+1)C-1]k<KcΣm=k-Kc+1kyn[m,(k-m)C:(k-m+1)C-1]k≥Kc,k=0,1,2,...]]>这里Kc＝Nfft/C，C为短时傅里叶变换加窗间隔的采样点数，Nfft为FFT变换的长度。进一步，所述步骤三中利用踝驱动跳频混合信号调整模块对得到的跳频混合信号时频域矩阵进行预处理；具体包括：第一步，对进行去低能量预处理，即在每一采样时刻p，将幅值小于门限ε的值置0，得到门限ε的设定根据接收信号的平均能量来确定；第二步，找出p时刻(p＝0,1,2,…P-1)非零的时频域数据，用表示，其中表示p时刻时频响应非0时对应的频率索引，对这些非零数据归一化预处理，得到预处理后的向量b(p,q)＝[b1(p,q),b2(p,q),…,bM(p,q)]T，其中进一步，所述踝驱动加速度检测器的接收信号y(t)表示为：y(t)＝x(t)+n(t)；其中，x(t)为数字调制信号，n(t)为服从标准SαS分布的脉冲噪声，x(t)的解析形式表示为：其中，N为采样点数，an为发送的信息符号，在MASK信号中，an＝0，1，2，…，M-1，M为调制阶数，an＝ej2πε/M，ε＝0,1,2,…,M-1，g(t)表示矩形成型脉冲，Tb表示符号周期，fc表示载波频率，载波初始相位是在[0,2π]内均匀分布的随机数。本发明实施例提供的骨科助行器，通过设置踝驱动器装置4和髋驱动器装置10，使得下肢外骨骼助力机器人的驱动效果好；通过设置电动伸缩杆5带动大腿8的升降，达到调节下肢外骨骼高度的目的，使得能够自动调节下肢外骨骼的高度以适应不同身高的人群；通过设置抗震缓冲装置6，并且抗震缓冲装置6包括第一T型连接头6-1、刚性弹簧6-2和第二T型连接头6-3，使得人们在使用该骨科助行器的时候可以起到抗震缓冲的功能，使得该骨科助行器的抗震缓冲效果好，给人舒适的感觉。以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。当前第1页1 2 3