基于力学特性传感的假肢接受腔刚柔自适应变换控制系统的制作方法

1.本发明涉及信号识别与控制技术领域，具体涉及基于力学特性传感的旋转成形术假肢接受腔刚柔自适应变换控制系统。


背景技术：

2.对于膝关节以上截肢患者，为最大程度保留其膝关节功能，通常对患者进行旋转成形手术，即在截肢时将踝关节提升至原有膝关节位置，并向后旋转180
°
，利用踝关节替代截肢前膝关节功能，此手术称之为旋转成形术。通过将患者原来的脚作为残端穿在假肢接受腔内，帮助患者恢复行走功能。然而，残肢患者在穿戴假肢时需要预紧力固定，预紧力过大会引起残肢的变形，预紧力过小则会产生相对滑动，甚至会产生脱落的现象。假肢接受腔作为人体和假肢之间生物力学界面，是人体和假肢之间直接连接的媒体，人体与假肢之间的力都是通过残肢和接受腔的接触面进行传递的。在穿戴假肢运动过程中，由于脚上有很多骨性凸出，当残肢与接受腔表面接触时，摩擦力和压力会对皮肤的表面、皮下组织、血液循环等方面产生损害，故假肢接受腔的设计将直接影响到假肢功能的实现以及患者穿戴假肢的舒适度。
3.当前针对假肢接受腔的研究主要分为两个方面，1)假肢接受腔结构设计：通过三维扫描仪扫描患者残肢形态，生成残肢三维模型，并将其与接受腔数据库进行匹配，根据匹配的接受腔模型进行制造。2)假肢接受腔界面压力控制：通过电机驱动、气动和液压驱动等方式控制假肢接受腔整体形状和体积的变换，实现界面压力的变化，进而改善假肢接受腔的适配性。以上两种方式均是对假肢接受腔整体形状和体积进行设计和控制，而旋转成形术后假肢安装是将患者的脚伸入接受腔中，存在多骨性凸出，各部位受力不同，接受腔整体变化无法适应脚的形状，造成脚部损伤，影响行走舒适度；另外假肢接受腔控制系统没有构建脚的各部分理想承受载荷数据库，且无残肢各部分实际承受载荷的监测反馈部分，无法根据脚的实际受力状态对假肢接受腔各区域形状和体积进行精准、快速的控制。
4.因此，如何提供一种能够根据脚的实际受力状态对假肢接受腔各区域形状和体积进行精准控制的假肢接受腔刚柔自适应变换控制系统是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提出了一种基于力学特性传感的假肢接受腔刚柔自适应变换控制系统，解决现有技术中的技术问题。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.本发明公开了一种基于力学特性传感的假肢接受腔刚柔自适应变换控制系统，假肢接受腔内的残肢包括多个残肢部位；假肢接受腔为可变式接受腔，还包括：压力传感器、执行部件和主控制器；其中，
8.可变式接受腔内分布有多个挤压腔单元，所述多个挤压腔单元分别与各个残肢部位的形状相匹配；
9.所述挤压腔单元与所述残肢部位之间设置有压力传感器，用于获取各挤压腔单元对各个残肢部位的作用载荷；
10.所述主控制器电连接所述执行部件和所述压力传感器，根据所述作用载荷，输出控制信号驱动执行部件独立控制各个所述挤压腔单元形状和体积的改变。
11.本发明采用多个挤压腔单元的设置方式能够实现对残肢各部分作用力的独立控制，有效解决因对接受腔整体控制而造成的残肢各部分受力不均、皮肤损伤和行走不适等问题。
12.优选的，通过对残肢不同位置进行痛阈测试实验得到各残肢部位理想承受载荷，确定可变式接受腔不同位置变刚度单元的刚度变化范围，建立各残肢部位理想承受载荷数据库；
13.所述主控制器根据所述作用载荷和各残肢部位理想承受载荷数据库的数据对比，输出控制信号驱动执行部件独立控制各个所述挤压腔单元形状和体积的改变。
14.优选的，所述压力传感器包括信号采集压力传感器；在进行可变式接受腔调控前，利用采集压力传感器采集各挤压腔单元对各残肢部位的作用载荷，并将其输送至所述主控制器；
15.所述主控制器将其与残肢各部分理想承受载荷数据库中的载荷数据进行对比，输出控制信号至执行部件，使所述多个挤压腔单元分别与初戴状态下的各个残肢部位的形状相匹配。信号采集压力传感器能够实现假肢穿戴初始状态下与残肢的匹配度进行大幅度调整，达到快速调整的目的。
16.优选的，所述压力传感器包括监测反馈压力传感器；利用监测反馈压力传感器实时监测采集驱动执行过程中挤压腔单元对残肢部位实际作用载荷，并转换成模拟信号输送至所述主控制器；
17.所述主控制器将理想承受载荷与实际作用载荷对比做差，利用差值进行pid调控，输出控制信号至执行部件，对所述多个挤压腔单元加载至各个残肢部位的实际作用载荷进行实时调整。监测反馈压力传感器结合pid控制部分，实现各挤压腔单元形状及体积精准、稳定的调整。
18.优选的，所述挤压腔单元内设置有弹性元件和压板，所述弹性元件一端固定在所述挤压腔单元内侧壁，一端连接所述压板，使压板压紧残肢，实现对残肢软组织的预紧。
19.优选的，所述执行部件包括空气泵和微型气阀，所述空气泵通过气路连接管连接至微型气阀，根据所述控制信号数值大小控制微型气阀的开度，进而控制各挤压腔单元内密闭空间的气体压强变化。
20.优选的，所述空气泵连通有多个所述微型气阀，所述微型气阀连通一个或多个所述挤压腔单元，便于根据挤压腔单元的形状及位置，进行一对一或一对多的控制。
21.优选的，所述压力传感器为应变片式压力传感器。高精度应变片式压力传感器检测精度高，可将假肢接受腔压力数值快速、准确的转换成模拟信号输送至主控制器。
22.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
23.1.本发明构建了残肢理想承受载荷数据库，以此为依据可控制假肢接受腔对残肢各部分的作用载荷在理想承受范围内，确保患者穿戴假肢的舒适度。
24.2.本发明通过在各挤压腔单元内安装微型气阀实现各单元形状及体积的独立变
换，进而实现对残肢各部分作用载荷的独立控制，有效解决因对接受腔整体控制而造成的残肢各部分受力不均、皮肤损伤和行走不适等问题。
25.3.本发明利用信号采集压力传感器和监测反馈压力传感器对残肢各部件实际承受压力数值进行检测，并将其反馈至主控制器，可实现假肢接受腔刚柔变换的闭环控制，联合作用形成闭环控制系统，既确保假肢接受腔调整的速度，又可实现精准、稳定的调整。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图；
27.图1为本发明实施例提供的基于力学特性传感的假肢接受腔刚柔自适应变换控制系统的原理图；
28.图2为本发明实施例提供的可变式腔独立挤压腔单元示意图一；
29.图3为本发明实施例提供的可变式腔独立挤压腔单元示意图二。
30.图中：
31.1为微型真空泵，2为微型气阀，3为气路连接管，4为弹性元件，5为压板，6为挤压腔单元内侧壁，7为残脚骨，8为残脚软组织，9为压力传感器，10为电池，11为主控制器，12为挤压腔单元。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.如图1所示，本发明实施例公开了一种基于力学特性传感的假肢接受腔刚柔自适应变换控制系统，假肢接受腔用于固定残肢，假肢接受腔内的残肢包括多个残肢部位，多个残肢部位可以根据骨性凸出形状进行划分。
34.本实施例中的假肢接受腔为可变式接受腔，还包括：压力传感器9、执行部件和主控制器11；可变式接受腔内分布有多个挤压腔单元，多个挤压腔单元分别与各个残肢部位的形状相匹配；挤压腔单元与残肢部位之间设置有压力传感器9，用于获取各挤压腔单元对各个残肢部位的作用载荷；主控制器11电连接执行部件和压力传感器9，根据作用载荷，输出控制信号驱动执行部件独立控制各个挤压腔单元形状和体积的改变。
35.本实施例将假肢接受腔分为多个挤压腔单元，在每个挤压腔单元中均添加压力传感器，可实现每个挤压单元压力的独立控制。同时主控制器通过对采集的信号进行分析处理，输出执行信号至动作执行部件，根据执行信号数值大小，控制改变挤压腔单元的执行部件的开度和方向，可实现挤压腔形状及体积快速、准确的调整。
36.将假肢接受腔尽可能均匀分布，实现对残肢各部分作用载荷的全面检测。即假肢接受腔各挤压腔单元面积设置很小，以贴合每一个骨性凸起的边缘。将压力传感器安装在
各挤压单元中间位置，实现对该挤压单元压力信号的实时采集。
37.本实施例中，主控制选用esp32开发板，基于残肢各部分理想承受载荷数据库，实现信号采集部分、驱动执行部分和监测反馈部分间的信号处理与传递，实现假肢接受腔刚柔变换的闭环控制。且可通过内置蓝牙通信模块将残肢患者行走舒适度和恢复状况传送至上位机，确保医生实时了解患者病情。
38.在一个实施例中，搭建生物力学实验平台，根据脚部解刨学和生理学特性选定各部分测试位置，对患者残肢(脚)进行生物力学实验。通过对脚部不同位置进行痛阈测试实验得到残肢(脚)各部分理想承受载荷，对实验数据进行整合处理分析，从而确定假肢接受腔不同位置变刚度单元的刚度变化范围，建立残肢各部分理想承受载荷数据库，构建数据库管理系统，为假肢接受腔对残肢各部分压力的控制提供参考依据；
39.主控制器11根据作用载荷和各残肢部位理想承受载荷数据库的数据对比，输出控制信号驱动执行部件独立控制各个挤压腔单元形状和体积的改变。
40.在一个实施例中，压力传感器9包括信号采集压力传感器；在进行可变式接受腔调控前，利用采集压力传感器采集各挤压腔单元对各残肢部位的作用载荷，并将其输送至主控制器11；
41.主控制器11将其与残肢各部分理想承受载荷数据库中的载荷数据进行对比，输出控制信号至执行部件，使多个挤压腔单元分别与初戴状态下的各个残肢部位的形状相匹配。信号采集压力传感器能够实现假肢穿戴初始状态下与残肢的匹配度进行大幅度调整，达到快速调整的目的。
42.在一个实施例中，压力传感器9包括监测反馈压力传感器；利用监测反馈压力传感器实时监测采集驱动执行过程中挤压腔单元对残肢部位实际作用载荷，并转换成模拟信号输送至主控制器11；
43.主控制器11将理想承受载荷与实际作用载荷对比做差，利用差值进行pid调控，输出控制信号至执行部件，对多个挤压腔单元加载至各个残肢部位的实际作用载荷进行实时调整。监测反馈压力传感器结合pid控制部分，实现各挤压腔单元形状及体积精准、稳定的调整。
44.本发明实施例的一个具体实施方式为：
45.同时在挤压腔单元上布设信号采集压力传感器和监测反馈压力传感器，两者安装位置保持水平且紧密分布。
46.利用信号采集压力传感器采集患者初始穿戴假肢状态下残肢各部分承受压力数值，并将其传递至主控制器进行处理计算，输出控制信号驱动各执行部件改变假肢接受腔各部分形状和体积，进而实现对残肢各部分作用力的独立控制，有效解决因对接受腔整体控制而造成的残肢各部分受力不均、皮肤损伤和行走不适等问题。
47.利用监测反馈压力传感器对残肢各部件实际承受压力数值进行监测，并将其反馈至主控制器，后者将理论与实际压力数值进行对比做差，将差值输入pid控制部分，进而控制执行部件对残肢接受腔形状及体积进行精确、快速、稳定的控制，实现残肢各部位承受压力的精准调控。
48.由于信号采集压力传感器输出的信号与理想承受载荷相差较大，通过主控制器输出动作执行信号对各挤压腔单元形状及体积进行大幅度调整，达到快速调整的目的，容易
出现误差；而监测反馈压力传感器输出信号与理想承受载荷相差较小，将差值输送至pid控制部分，实现各挤压腔形状及体积精准、稳定的调整。两者联合作用形成闭环控制系统，既确保假肢接受腔调整的速度，又可实现精准、稳定的调整。
49.在一个实施例中，挤压腔单元内设置有弹性元件4和压板5，弹性元件4一端固定在挤压腔单元内侧壁6，一端连接压板5，使压板5压紧残肢，实现对残肢软组织8的预紧。
50.本实施例中，弹性元件4可以采用压缩弹性件，如弹簧。
51.在一个实施例中，执行部件包括空气泵1和微型气阀2，空气泵1通过气路连接管3连接至微型气阀2，根据控制信号数值大小控制微型气阀2的开度，进而控制各挤压腔单元内密闭空间的气体压强变化。
52.如图2-3所示，图3为图2所示结构的横向截面示意图。空气泵1可以采用微型真空泵，与主控制器11和微型气阀2共同设置在器件腔内，器件腔可以置于可变式接受腔远离残肢的端部。
53.器件腔内还设有电池10，电池10与主控制器11电连接，为压力传感器、执行部件等提供电源。
54.可以理解的是，本实施例中的挤压腔单元为气囊结构。
55.在一个实施例中，空气泵1连通有多个微型气阀2，微型气阀2连通一个或多个挤压腔单元，便于根据挤压腔单元的形状及位置，进行一对一或一对多的控制。
56.具体驱动控制过程如下：获取假肢接受腔与残肢各部位实际承受载荷数值，通过主控制器对理论承受载荷与实际承受载荷进行对比做差，处理计算后输出控制信号至微型气阀2，根据控制信号数值大小控制微型气阀的开度和方向，进而控制各挤压腔单元12内密闭空间的气体压强变化，驱动压板实现假肢接受腔各挤压腔单元12对残肢压力精准、快速、稳定的控制。
57.在一个实施例中，压力传感器9为应变片式压力传感器。高精度应变片式压力传感器检测精度高，可将假肢接受腔压力数值快速、准确的转换成模拟信号输送至主控制器11。高精度应变片式压力传感器集成性很高，质量和体积很小，患者使用过程中可一直都携带在假肢上。
58.以上对本发明所提供的基于力学特性传感的假肢接受腔刚柔自适应变换控制系统进行了详细介绍，本实施例中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
59.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本实施例中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本实施例所示的这些实施例，而是要符合与本实施例所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。