一种智能假肢控制系统及方法与流程

1.本发明涉及医疗器械技术领域，具体为一种智能假肢控制系统及方法。


背景技术：

2.目前市面上销售的多种假肢技术已经比较成熟，机械假肢和智能假肢处于产品更新换代的阶段，智能假肢基本被国外厂家所垄断，售价高，维护困难。并且存在使用体验上的差异。 其中市面上所有的智能假肢都无法提供比较自然的上楼动作，需要用户反复练习，动作僵硬不自然。
3.本发明通过初始化硬件，上电找零，确定电机的零点，采集数据并根据数据确定膝关节的状态与所需阻力，最后通过电机调节阻力；上楼模式时启动斜坡电机主动弯曲。


技术实现要素：

4.（一）解决的技术问题针对现有技术的不足，本发明提供了一种智能假肢控制系统及方法，解决了目前假肢膝关节产品安全能力较差，不够灵活等问题的问题，通过多种传感器，控制多台电机调节膝关节阻尼和摆动速度，以及提供主动弯曲能力。
5.（二）技术方案为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种智能假肢控制系统，包括硬件初始模块、电机调零模块、数据采集模块、数据处理模块、电机控制模块和can通信模块；所述硬件初始模块用于初始化硬件；所述电机调零模块用于电机零点的确定；所述数据采集模块用于采集角度、压力和倾角信息；所述数据处理模块用于根据数据确定膝关节的模式，模式确定后再判断出膝关节需要的阻力，以及是否需要启动大电机；所述电机控制模块用于对膝关节的阻力是进行控制；所述can通信模块用于控制斜坡电机带动膝关节主动弯曲；该所述智能膝关节控制系统是通过硬件初始模块初始化硬件，通过电机调零上电找零，确定电机的零点，再通过数据采集模块和数据处理模块采集数据并根据数据确定膝关节的状态与所需阻力，最后通过电机控制模块电机调节阻力，在上楼模式时通过can通信模块启动斜坡电机主动弯曲。
6.优选的，所述数据处理模块根据数据确定膝关节的模式为上楼模式、下楼模式和平地模式。
7.优选的，所述数据采集模块采集的数据具体有假肢支撑压力、假肢弯曲角度、倾角传感器数据、电机电流、电机转速和系统电压。
8.优选的，根据采集的数据判断膝关节的当前模式以及模式下的状态，并确定所需
的阻力，阻力由油缸输出，输入为电机控制轴的转动角度，通过can通信控制谐波电机主动弯曲。
9.本发明还提供了一种智能假肢的控制方法，具体包括以下步骤：s100、初始化硬件：在智能膝关节上电后对基础硬件进行初始化；s200、电机调零，确定电机零点：系统启动后需要进行电机调零，具体来说，控制阻力的两个电机通过堵转移动到阻力最大的位置，大电机移动到零点信号处，触发时有电平变化；在实际操作中，小电机以恒定的力向锁死的方向移动，当检测到电流长时间处于大电流时就确定电机已经到了零点，斜坡电机向零点方向移动，当零点信号被触发，造成电平变化就确定斜坡电机找零成功；s300、采集角度、压力和倾角信息：数据采集通过dma采集相应的adc数据，采集一定数据后进行平均值处理得到一个有效值，通过串口获知六轴倾角的小腿膝关节的倾角数据，同时根据倾角与角度的值计算出大腿的倾角值；s400、根据数据确定膝关节的状态：根据采集的数据判断膝关节当前的模式，然后再根据模式判断膝关节当前所需的阻力；s500、电机控制：通过模糊pid控制小电机的位置控制，使其精度达到0-2个编码器误差，电机移动的位置代表不同的阻力，斜坡电机在上楼模式中起到主动弯曲的作用。
10.优选的，所述步骤s100中基础硬件包括智能膝关节的adc、定时器和串口外设。
11.优选的，所述步骤s400之后还包括：s420、上下楼以及平地模式判断：上电最开始是平地模式，通过模式检测模块进行模式切换，下楼模式的阻力随着角度弯曲变大，上楼模式中增加斜坡电机的使用。
12.优选的，所述步骤s500包括：s520、小模块电源检测：该模块包含堵转保护、电量检测和看门狗模块的一系列功能模块，这些模块起到保护与检测膝关节的作用。
13.（三）有益效果本发明提供了一种智能假肢控制系统及方法。与现有技术相比具备以下有益效果：该智能假肢控制系统及方法，包括硬件初始模块、电机调零模块、数据采集模块、数据处理模块、电机控制模块和can通信模块，硬件初始模块用于初始化硬件，电机调零模块用于电机零点的确定，数据采集模块用于采集角度、压力和倾角信息，数据处理模块用于根据数据确定膝关节的模式，模式确定后再判断出膝关节需要的阻力，以及是否需要启动大电机，电机控制模块用于对膝关节的阻力是进行控制，can通信模块用于控制斜坡电机带动膝关节主动弯曲，可实现通过初始化硬件，上电找零，确定电机的零点，采集数据并根据数据确定膝关节的状态与所需阻力，最后通过电机调节阻力；上楼模式时启动斜坡电机主动弯曲，通过采用独特的主动弯曲技术，使产品更加仿生智能，通过多种传感器，控制多台电机调节膝关节阻尼和摆动速度，以及提供主动弯曲能力。
附图说明
14.图1为本发明控制方法的流程图。
实施方式
15.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。
16.请参阅图1，本发明实施例提供两种技术方案：一种智能假肢控制系统及方法，具体包括以下实施例：
实施例
17.一种智能假肢控制系统，包括硬件初始模块、电机调零模块、数据采集模块、数据处理模块、电机控制模块和can通信模块；硬件初始模块用于初始化硬件；电机调零模块用于电机零点的确定；数据采集模块用于采集角度、压力和倾角信息；数据处理模块用于根据数据确定膝关节的模式，模式确定后再判断出膝关节需要的阻力，以及是否需要启动大电机；电机控制模块用于对膝关节的阻力是进行控制；can通信模块用于控制斜坡电机带动膝关节主动弯曲；该智能膝关节控制系统是通过硬件初始模块初始化硬件，通过电机调零上电找零，确定电机的零点，再通过数据采集模块和数据处理模块采集数据并根据数据确定膝关节的状态与所需阻力，最后通过电机控制模块电机调节阻力，在上楼模式时通过can通信模块启动斜坡电机主动弯曲。
18.本发明实施例中，数据处理模块根据数据确定膝关节的模式为上楼模式、下楼模式和平地模式。
19.本发明实施例中，数据采集模块采集的数据具体有假肢支撑压力、假肢弯曲角度、倾角传感器数据、电机电流、电机转速和系统电压，根据采集的数据判断膝关节的当前模式以及模式下的状态，并确定所需的阻力，阻力由油缸输出，输入为电机控制轴的转动角度，通过can通信控制谐波电机主动弯曲。
20.本发明实施例还提供了一种智能假肢的控制方法，具体包括以下步骤：s100、初始化硬件：在智能膝关节上电后对基础硬件进行初始化，基础硬件包括智能膝关节的adc、定时器和串口外设；s200、电机调零，确定电机零点：系统启动后需要进行电机调零，具体来说，控制阻力的两个电机通过堵转移动到阻力最大的位置，大电机移动到零点信号处，触发时有电平变化；在实际操作中，小电机以恒定的力向锁死的方向移动，当检测到电流长时间处于大电流时就确定电机已经到了零点，斜坡电机向零点方向移动，当零点信号被触发，造成电平变化就确定斜坡电机找零成功；s300、采集角度、压力和倾角信息：数据采集通过dma采集相应的adc数据，如角度、压力、电机电流、电源电压等，采集一定数据后进行平均值处理得到一个有效值，通过串口
获知六轴倾角的小腿膝关节的倾角数据，同时根据倾角与角度的值计算出大腿的倾角值；s400、根据数据确定膝关节的状态：根据采集的数据判断膝关节当前的模式（上楼、下楼、平地），然后再根据模式判断膝关节当前所需的阻力；s420、上下楼以及平地模式判断：上电最开始是平地模式，通过模式检测模块进行模式切换，下楼模式的阻力随着角度弯曲变大，上楼模式中增加斜坡电机的使用；s500、电机控制：通过模糊pid控制小电机的位置控制，使其精度达到1个编码器误差，电机移动的位置代表不同的阻力，斜坡电机在上楼模式中起到主动弯曲的作用。
21.s520、小模块电源检测：该模块包含堵转保护、电量检测和看门狗模块的一系列功能模块，这些模块起到保护与检测膝关节的作用。
实施例
22.一种智能假肢控制系统，包括硬件初始模块、电机调零模块、数据采集模块、数据处理模块、电机控制模块和can通信模块；硬件初始模块用于初始化硬件；电机调零模块用于电机零点的确定；数据采集模块用于采集角度、压力和倾角信息；数据处理模块用于根据数据确定膝关节的模式，模式确定后再判断出膝关节需要的阻力，以及是否需要启动大电机；电机控制模块用于对膝关节的阻力是进行控制；can通信模块用于控制斜坡电机带动膝关节主动弯曲；该智能膝关节控制系统是通过硬件初始模块初始化硬件，通过电机调零上电找零，确定电机的零点，再通过数据采集模块和数据处理模块采集数据并根据数据确定膝关节的状态与所需阻力，最后通过电机控制模块电机调节阻力，在上楼模式时通过can通信模块启动斜坡电机主动弯曲。
23.本发明实施例中，数据处理模块根据数据确定膝关节的模式为上楼模式、下楼模式和平地模式。
24.本发明实施例中，数据采集模块采集的数据具体有假肢支撑压力、假肢弯曲角度、倾角传感器数据、电机电流、电机转速和系统电压，根据采集的数据判断膝关节的当前模式以及模式下的状态，并确定所需的阻力，阻力由油缸输出，输入为电机控制轴的转动角度，通过can通信控制谐波电机主动弯曲。
25.本发明实施例还提供了一种智能假肢的控制方法，具体包括以下步骤：s100、初始化硬件：在智能膝关节上电后对基础硬件进行初始化，基础硬件包括智能膝关节的adc、定时器和串口外设；s200、电机调零，确定电机零点：系统启动后需要进行电机调零，具体来说，控制阻力的两个电机通过堵转移动到阻力最大的位置，大电机移动到零点信号处，触发时有电平变化；在实际操作中，小电机以恒定的力向锁死的方向移动，当检测到电流长时间处于大电流时就确定电机已经到了零点，斜坡电机向零点方向移动，当零点信号被触发，造成电平变化就确定斜坡电机找零成功；
s300、采集角度、压力和倾角信息：数据采集通过dma采集相应的adc数据，如角度、压力、电机电流、电源电压等，采集一定数据后进行平均值处理得到一个有效值，通过串口获知六轴倾角的小腿膝关节的倾角数据，同时根据倾角与角度的值计算出大腿的倾角值；s400、根据数据确定膝关节的状态：根据采集的数据判断膝关节当前的模式（上楼、下楼、平地），然后再根据模式判断膝关节当前所需的阻力；s420、上下楼以及平地模式判断：上电最开始是平地模式，通过模式检测模块进行模式切换，下楼模式的阻力随着角度弯曲变大，上楼模式中增加斜坡电机的使用；s500、电机控制：通过模糊pid控制小电机的位置控制，使其精度达到2个编码器误差，电机移动的位置代表不同的阻力，斜坡电机在上楼模式中起到主动弯曲的作用。
26.s520、小模块电源检测：该模块包含堵转保护、电量检测和看门狗模块的一系列功能模块，这些模块起到保护与检测膝关节的作用。
27.综上，本发明可实现通过初始化硬件，上电找零，确定电机的零点，采集数据并根据数据确定膝关节的状态与所需阻力，最后通过电机调节阻力；上楼模式时启动斜坡电机主动弯曲，通过采用独特的主动弯曲技术，使产品更加仿生智能，通过多种传感器，控制多台电机调节膝关节阻尼和摆动速度，以及提供主动弯曲能力。
28.同时本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域技术人员公知的现有技术。
29.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
30.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种智能假肢控制系统，其特征在于：包括硬件初始模块、电机调零模块、数据采集模块、数据处理模块、电机控制模块和can通信模块；所述硬件初始模块用于初始化硬件；所述电机调零模块用于电机零点的确定；所述数据采集模块用于采集角度、压力和倾角信息；所述数据处理模块用于根据数据确定膝关节的模式，模式确定后再判断出膝关节需要的阻力，以及是否需要启动大电机；所述电机控制模块用于对膝关节的阻力是进行控制；所述can通信模块用于控制斜坡电机带动膝关节主动弯曲；该所述智能膝关节控制系统是通过硬件初始模块初始化硬件，通过电机调零上电找零，确定电机的零点，再通过数据采集模块和数据处理模块采集数据并根据数据确定膝关节的状态与所需阻力，最后通过电机控制模块电机调节阻力，在上楼模式时通过can通信模块启动斜坡电机主动弯曲。2.根据权利要求1所述的一种智能假肢控制系统，其特征在于：所述数据处理模块根据数据确定膝关节的模式为上楼模式、下楼模式和平地模式。3.根据权利要求1所述的一种智能假肢控制系统，其特征在于：所述数据采集模块采集的数据具体有假肢支撑压力、假肢弯曲角度、倾角传感器数据、电机电流、电机转速和系统电压。4.根据权利要求3所述的一种智能假肢控制系统，其特征在于：根据采集的数据判断膝关节的当前模式以及模式下的状态，并确定所需的阻力，阻力由油缸输出，输入为电机控制轴的转动角度，通过can通信控制谐波电机主动弯曲。5.一种实施权利要求1-4任意一项所述智能假肢控制系统的控制方法，其特征在于：具体包括以下步骤：s100、初始化硬件：在智能膝关节上电后对基础硬件进行初始化；s200、电机调零，确定电机零点：系统启动后需要进行电机调零，具体来说，控制阻力的两个电机通过堵转移动到阻力最大的位置，大电机移动到零点信号处，触发时有电平变化；在实际操作中，小电机以恒定的力向锁死的方向移动，当检测到电流长时间处于大电流时就确定电机已经到了零点，斜坡电机向零点方向移动，当零点信号被触发，造成电平变化就确定斜坡电机找零成功；s300、采集角度、压力和倾角信息：数据采集通过dma采集相应的adc数据，采集一定数据后进行平均值处理得到一个有效值，通过串口获知六轴倾角的小腿膝关节的倾角数据，同时根据倾角与角度的值计算出大腿的倾角值；s400、根据数据确定膝关节的状态：根据采集的数据判断膝关节当前的模式，然后再根据模式判断膝关节当前所需的阻力；s500、电机控制：通过模糊pid控制小电机的位置控制，使其精度达到0-2个编码器误差，电机移动的位置代表不同的阻力，斜坡电机在上楼模式中起到主动弯曲的作用。6.根据权利要求5所述的一种智能假肢的控制方法，其特征在于：所述步骤s100中基础硬件包括智能膝关节的adc、定时器和串口外设。7.根据权利要求5所述的一种智能假肢的控制方法，其特征在于：所述步骤s400之后还
包括：s420、上下楼以及平地模式判断：上电最开始是平地模式，通过模式检测模块进行模式切换，下楼模式的阻力随着角度弯曲变大，上楼模式中增加斜坡电机的使用。8.根据权利要求5所述的一种智能假肢的控制方法，其特征在于：所述步骤s500包括：s520、小模块电源检测：该模块包含堵转保护、电量检测和看门狗模块的一系列功能模块，这些模块起到保护与检测膝关节的作用。

技术总结
本发明公开了一种智能假肢控制系统及方法，包括硬件初始模块、电机调零模块、数据采集模块、数据处理模块、电机控制模块和CAN通信模块，硬件初始模块用于初始化硬件，电机调零模块用于电机零点的确定，数据采集模块用于采集角度、压力和倾角信息，本发明涉及医疗器械技术领域。该智能假肢控制系统及方法，可实现通过初始化硬件，上电找零，确定电机的零点，采集数据并根据数据确定膝关节的状态与所需阻力，最后通过电机调节阻力；上楼模式时启动斜坡电机主动弯曲，通过采用独特的主动弯曲技术，使产品更加仿生智能，通过多种传感器，控制多台电机调节膝关节阻尼和摆动速度，以及提供主动弯曲能力。弯曲能力。弯曲能力。


技术研发人员：黄元清
受保护的技术使用者：湖南轶疆医疗科技有限公司
技术研发日：2023.06.16
技术公布日：2023/8/1