專利名稱：用腳趾觸發(fā)上假肢多自由度運動的控制系統(tǒng)和控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及殘疾人用的上假肢，尤其涉及上假肢的控制技術(shù)。
背景技術(shù)：
目前，殘疾人用的上假肢動作有幾種仿生控制源方式。如，人體自身的腦電信號、 神經(jīng)電信號、肌電信號、腦磁信號和聲音信號等。其中，利用腦電信號、神經(jīng)電信號、腦磁信號進行上假肢控制的研究仍處于實驗室階段。利用肌電信號實現(xiàn)對上假肢的控制是基于肌電信號和動作的對應(yīng)性及其良好的重復性。對肌電信號進行模式識別的準確率決定著對上假肢控制的效果。在實際應(yīng)用中， 當截肢患者的殘肢太短，或者因癱瘓而導致肌肉萎縮時，就不能提供足夠的肌電上假肢所需要的控制信息。同時，肌肉的疲勞、電極位置的改變、體重的波動等都會使肌電信號的特征值發(fā)生變化而降低對肌電信號模式識別的準確率。與其他控制上假肢的方式相比，聲控方式更方便，精度也更高，但在需要保持肅靜的場合使用就不適宜，而且上假肢佩戴者與別人進行語言交流時也可能導致假肢產(chǎn)生誤動作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的仿生控制信號源在上假肢控制中存在的不足，提出一種抗干擾能力強、隱蔽性好、操作方便的新型多自由度上假肢控制系統(tǒng)和方法。一種用腳趾觸發(fā)上假肢多自由度運動的控制系統(tǒng)它是由腳趾觸發(fā)信號模塊，信號處理模塊，提示模塊和驅(qū)動模塊組成；其中1、所述的腳趾觸發(fā)信號模塊由信號發(fā)生器、放大電路和電壓比較器構(gòu)成；腳趾觸發(fā)信號模塊能將腳趾施加的壓力信號生成電壓信號，電壓信號經(jīng)放大和比較后送入信號處理模塊進行處理；2、所述的信號處理模塊包括以下單元信號采集與預(yù)處理單元、指令確認單元和動作識別單元；其中1)信號采集與預(yù)處理單元是用于實時接收由腳趾觸發(fā)信號模塊發(fā)送來的信號并進行預(yù)處理的單元；2)指令確認單元是用于存儲信號采集與預(yù)處理單元發(fā)送來的預(yù)處理結(jié)果并允許佩帶者決定是否刪除該預(yù)處理結(jié)果的單元。3)動作識別單元是根據(jù)預(yù)處理結(jié)果識別出相應(yīng)的動作指令并將該動作指令送入驅(qū)動模塊的單元；3、所述的提示模塊是用于實時提示信號采集與預(yù)處理單元的預(yù)處理結(jié)果的模塊；4、所述的驅(qū)動模塊包括驅(qū)動器和驅(qū)動假肢動作的電機；當驅(qū)動器接收到信號處理模塊發(fā)送來的動作指令時，便控制電機運轉(zhuǎn)，完成上假肢相應(yīng)的設(shè)定動作。
本發(fā)明假肢控制系統(tǒng)采用腳趾按壓出的電壓信號作為控制假肢的信號源，通過采集到的電壓信號識別出相應(yīng)的動作指令，控制上假肢做出期望的動作。具體地講包括如下步驟第一步腳趾以約定的方式按壓腳趾觸發(fā)信號模塊中的信號發(fā)生器發(fā)出電壓信號；第二步信號處理模塊中的信號采集與預(yù)處理單元采集該電壓信號并進行預(yù)處理，并將預(yù)處理結(jié)果發(fā)給提示模塊；第三步根據(jù)提示模塊結(jié)果在指令確認單元中確認腳趾發(fā)出的電壓信號；第四步確認電壓信號正確之后，信號處理模塊中的動作識別單元根據(jù)預(yù)處理結(jié)果識別出電壓信號對應(yīng)的動作指令；第五步驅(qū)動模塊根據(jù)動作指令驅(qū)動上假肢完成設(shè)定動作。這種控制方法隱蔽性強，控制方便，而且根據(jù)腳趾按壓信號發(fā)生器的壓力大小和持續(xù)時間，可以產(chǎn)生多種不同的特征，從而完成更多的控制功能。本發(fā)明的優(yōu)點在于，上肢殘疾者可通過完整的腳趾發(fā)出信號操作假肢完成各種動作，相對于肌電信號控制和聲控來說，隱蔽性好，抗干擾能力強、操作更方便。


圖1為本發(fā)明實施例的總體框圖；圖2為腳趾觸發(fā)信號模塊100的內(nèi)部框圖；圖3為信號處理模塊的內(nèi)部框圖；圖4為驅(qū)動模塊的內(nèi)部框圖；圖5為”開/關(guān)機”指令的Up F與T關(guān)系圖；圖6為“取消”指令的Up F與T關(guān)系圖；圖7為腳趾觸發(fā)信號模塊輸出“長”高電平Uoul時的Up F與T關(guān)系圖；圖8為腳趾觸發(fā)信號模塊輸出“短”高電平Uohs時的Up F與T關(guān)系圖；圖9為腳趾觸發(fā)信號模塊輸出低電平Uol時的Up F與T關(guān)系圖；圖10為工作過程流程圖。圖中100-腳趾觸發(fā)信號模塊，200-信號處理模塊，300-驅(qū)動模塊，400-提示模塊，101-信號發(fā)生器，102-放大電路，103-窗口電壓比較器，104-門限電壓比較器，201-信號采集與預(yù)處理單元，202-指令確認單元，203-動作識別單元，301-驅(qū)動器，302-電機。
具體實施例方式下面根據(jù)附圖對本發(fā)明的實施例進一步說明。本發(fā)明采取以下技術(shù)方案，如圖1所示它是由腳趾觸發(fā)信號模塊100、信號處理模塊200、驅(qū)動模塊300和提示模塊400組成；如圖2所示，所述的腳趾觸發(fā)信號模塊100由信號發(fā)生器101、放大電路102、窗口電壓比較器103和門限電壓比較器104構(gòu)成，腳趾觸發(fā)信號模塊100將信號發(fā)生器101產(chǎn)生的電壓信號經(jīng)放大電路102放大，再經(jīng)過窗口電壓比較器103和門限電壓比較器104進行電壓比較，然后分別送入信號處理模塊200中。
信號發(fā)生器101可采用薄膜式壓電傳感器或者貼片式壓電傳感器，可將壓電傳感器放在佩戴者腳趾部位。腳趾觸發(fā)信號模塊100的工作原理是，如圖2所示通過腳趾按壓的方式使壓電傳感器輸出電壓信號Ui, Ui的大小與腳趾按壓壓電傳感器的壓力F成正比。輸出的電壓信號 Ui經(jīng)過放大電路102得到電壓信號U1，將該電壓信號送入窗口電壓比較器103和門限電壓比較器104。設(shè)定窗口電壓比較器103的兩個閾值電壓值為UTmin和UTmax且UTmin < UTmax。兩個閾值電壓值Umin和Umax分別對應(yīng)用腳趾按壓壓電傳感器的壓力值FTmin和FTmax。如圖7、圖 8所示，當Umin < U1 < Ulmax時，對應(yīng)FTmin < F < Flmax,此時窗口電壓比較器103輸出一個高電平Uoh ；如圖9所示，當U1 < Ulmin時，對應(yīng)F < FTmin，窗口電壓比較器103輸出一個低電平 Uol ；當U1 > Ulmax時，對應(yīng)F > FTmax，窗口電壓比較器103輸出一個低電平Uolo設(shè)定門限電壓比較器104的閾值電壓UTmax。閾值電壓值UTmax對應(yīng)用腳趾按壓壓電傳感器的壓力值FTmax。如圖5、圖6所示，當^>仏_時，對應(yīng)F>FTmax，認定門限電壓比較器104輸出一個高電平Ugh ；當U1 < Ulfflax時，對應(yīng)F < Flfflax認定門限電壓比較器104輸出一個低電平Uglo如圖3所示，所述的信號處理模塊200包括信號采集與預(yù)處理單元201、指令確認單元202和動作識別單元203。信號處理模塊200的工作步驟是信號采集與預(yù)處理單元201實時監(jiān)測窗口電壓比較器103送來的高電平Uoh的持續(xù)時間，根據(jù)檢測到的高電平Uoh的持續(xù)的時間長短可以得到“長”高電平Uohl和“短”高電平Uffls兩種信號。根據(jù)“長”高電平Uohl和“短”高電平 Uffls兩種信號的順序組合可以表示不同的指令。信號采集與預(yù)處理單元201每檢測到一次 “長”高電平U·就在指令確認單元202中寫入“1”并將數(shù)字“1”送入提示模塊400，每檢測到一次“短”高電平Uohs就在指令確認單元202中寫入“0”并將該數(shù)字“0”送入提示模塊 400。對應(yīng)上假肢的每次動作需在指令確認單元中寫入N個二進制數(shù)字“1”和“0”的順序組合。發(fā)現(xiàn)當前二進制數(shù)字有誤時，在規(guī)定時間內(nèi)(優(yōu)選在1500毫秒內(nèi))迅速按壓出“取消”指令，當前二進制數(shù)字被刪除出指令確認單元202 ；當指令確認單元202中寫滿N位二進制數(shù)字時將這N位二進制數(shù)字作為預(yù)動作指令送入動作識別單元203。動作識別單元203 采用模板匹配法對預(yù)動作指令進行模板匹配，根據(jù)模板匹配結(jié)果輸出相應(yīng)的動作指令到驅(qū)動模塊300，實現(xiàn)對上假肢的控制。根據(jù)N的大小可以產(chǎn)生2n個預(yù)動作指令。優(yōu)選地約定N = 5，這樣就可以得到25 = 32條預(yù)動作指令。另外信號采集與預(yù)處理單元201還實時監(jiān)測門限電壓比較器104送來的高電平的持續(xù)時間，根據(jù)檢測到的高電平Ura的持續(xù)的時間長短可以得到“取消”、“開機”、“關(guān)機” 三種信號。優(yōu)選地約定，若信號采集與預(yù)處理單元201實時監(jiān)測到的由窗口電壓比較器103 送來的高電平Uoh的持續(xù)時間在600毫秒到2000毫秒之間，即600 < T4-T3 < 2000 (見圖 7)，則認為是“長”高電平U0HL，若高電平Uoh持續(xù)時間在100毫秒到600毫秒之間，即100 < T4-T3 < 600 (見圖8)，則認為是“短”高電平Uohs。在假肢處于關(guān)機狀態(tài)時，優(yōu)選地約定當信號采集與預(yù)處理單元201實時監(jiān)測到的由門限電壓比較器104送來的高電平Ugh的持續(xù)時間超過5000毫秒時也即F > Flfflax并持續(xù)時間5000毫秒也即T2-T1 > 5000(見圖5)，認為是“開機”信號，動作識別單元203開始進入工作狀態(tài)，整個假肢控制系統(tǒng)即進入工作狀態(tài)。在假肢處于工作狀態(tài)時，優(yōu)選地約定當信號采集與預(yù)處理單元201實時監(jiān)測到的由門限電壓比較器104送來的高電平Ugh的持續(xù)時間超過5000毫秒時也即F > Flfflax并持續(xù)時間5000毫秒，也即T2-T1 > 5000(見圖5)，認為是“關(guān)機”信號，動作識別單元203停止工作，整個假肢控制系統(tǒng)即進入關(guān)機狀態(tài)。在假肢處于工作狀態(tài)時，優(yōu)選的約定當信號采集與預(yù)處理單元201實時監(jiān)測到的由門限電壓比較器104送來高電平Ugh時，也即F > Flfflax認為是“取消”指令?！叭∠敝噶畹淖饔靡皇怯脕黼S時刪除預(yù)處理結(jié)果；二是在上假肢運動時，使得信號處理模塊200立即輸出一個停止信號給驅(qū)動模塊300，停止上假肢的運動。如圖4所示，所述的驅(qū)動模塊300包括驅(qū)動器301和電機302。當驅(qū)動器301接收到信號處理模塊200發(fā)送來的驅(qū)動信號時，則控制上假肢完成相應(yīng)的設(shè)定動作。根據(jù)上述技術(shù)方案，結(jié)合一個控制上假肢的手指閉合的例子，可以得出如下日常時一個完整工作過程，這里假定上假肢的“手指閉合”的控制指令為10001，即這里的N = 5 ( 一條控制指令為5位)。1、當假肢佩戴者想要對上假肢進行操作時，發(fā)出“開機”信號即假肢佩戴者可以刻意通過腳趾用力按壓位于腳趾下方的壓電傳感器，使壓力F > Flfflax且持續(xù)的時間超過5000 毫秒，此時信號處理模塊200中的動作識別單元203開始工作，也即整個系統(tǒng)開始工作。2、那么當上假肢佩帶者想要控制上假肢的“手指閉合”來實現(xiàn)抓取某個物體時，需用腳趾以FTmin < F < Flfflax的壓力按壓壓電傳感器5次，并使這5次持續(xù)的時間分別在600 毫秒到2000毫秒之間、100毫秒到600毫秒之間、100毫秒到600毫秒之間、100毫秒到600 毫秒之間、600毫秒到2000毫秒之間。3、假如腳趾每次按壓壓電傳感器的壓力和持續(xù)時間都在規(guī)定范圍內(nèi)，信號處理模塊200中的信號采集與預(yù)處理單元201應(yīng)該依次檢測到UfflL、UfflS、Uras、Uras、UraL，指令確認單元202中依次寫入的是“1”、“0”、“0”、“0”、“1”，并且在提示模塊400中觀察到的結(jié)果應(yīng)該依次是“1”、“0”、“0”、“0”、“1”(這里的提示模塊400可以采用佩戴在頭部的顯示屏，顯示屏上實時顯示數(shù)字“1”或“0”)。此時的10001就是想要的控制“手指閉合”的指令。假如有任何一次按壓壓電傳感器的壓力或持續(xù)時間不在規(guī)定范圍內(nèi)，則會出現(xiàn)不想要的結(jié)果， 在觀察提示模塊400確認發(fā)生錯誤后，可以迅速以F > Flfflax的壓力按壓壓電傳感器，當前的數(shù)字被刪除出指令確認單元202。4、指令確認單元202中的10001作為預(yù)動作指令被送到動作識別單元203，動作識別單元203找到與10001對應(yīng)的動作指令，并輸出到驅(qū)動模塊300，此時與手指對應(yīng)的電機啟動，實現(xiàn)“手指閉合”的動作，從而實現(xiàn)抓取的功能。5、假如因為外部干擾等因素導致電機動作不符合要求，可以用腳趾迅速按壓壓電傳感器，使其壓力值F > FTmax，發(fā)出“取消，，指令，上假肢立即停止工作，實現(xiàn)緊急制動的功能。6、當夜晚睡覺或者暫時不需要上假肢做出動作時，可以用腳趾按壓壓電傳感器， 使其壓力值F > Flfflax超過5000毫秒，則發(fā)出“關(guān)機”信號，使控制系統(tǒng)進入關(guān)機狀態(tài)。此時系統(tǒng)處于等待“開機”信號。
上述上假肢控制系統(tǒng)的工作過程可歸納出如下控制方法，如圖10所示步驟Si，開機。當假肢佩戴者想要對上假肢進行操作時，首先按壓出“開機”信號。 在本實施例中“開機”信號的產(chǎn)生方法是刻意通過腳趾用力按壓位于腳趾下方的壓電傳感器，使壓力F > Flfflax持續(xù)的時間超過5000毫秒即使T2-T1 > 5000，此時信號處理模塊200 中的動作識別單元203開始工作。通常站立或行走時可刻意使得壓力F > Flfflax的持續(xù)時間不要超過5000毫秒，即不會出現(xiàn)T2-T1 > 5000的情況，這樣就不會產(chǎn)生“開機”信號，動作識別單元203就一直處于停止工作狀態(tài)。步驟S2，發(fā)生電壓信號。通過腳趾以特定的方式按壓安裝在腳趾下的壓電傳感器來產(chǎn)生電壓信號。在本實施例中，通過腳趾以FTmin < F < Flfflax的壓力按壓壓電傳感器，若持續(xù)的時間在600毫秒到2000毫秒之間，即600 < T4-T3 < 2000，則窗口電壓比較器103 輸出“長”高電平；若持續(xù)時間在100毫秒到600毫秒之間，即100 < T4-T3 < 600，則窗口電壓比較器103輸出“短”高電平。步驟S3，采集信號與預(yù)處理?？刂葡到y(tǒng)實時采集發(fā)生的電壓信號并進行預(yù)處理。 在本實施例中，信號處理模塊200中的信號采集與預(yù)處理單元201實時監(jiān)測由窗口電壓比較器103和門限電壓比較器104送來的高電平Uoh和Ugh的持續(xù)時間。若Uoh持續(xù)的時間在 600毫秒到2000毫秒之間，即600 < T4-T3 < 2000,則認為是“長”高電平Utm，并在指令確認單元202中寫入“1”并將數(shù)字“1”送入提示模塊400 ；若持續(xù)的時間在100毫秒到 600毫秒之間，即100 < T4-T3 < 600，則認為是“短”高電平Uqhs，并向指令確認單元202中寫入“ 0 ”并將數(shù)字“ 0 ”送入提示模塊400。步驟S4，指令確認。在此步驟中判斷寫入指令確認單元202中的數(shù)字是否為想要的數(shù)字，并通過是否按壓“取消”指令作出相應(yīng)的處理。在本實施例中，檢查提示模塊400， 若指令確認單元202送來的二進制數(shù)字有誤時，及時發(fā)出“取消”指令，即以F > Flfflax的壓力按壓壓電傳感器，則該二進制數(shù)字被刪除，此時信號采集與預(yù)處理單元201繼續(xù)實時監(jiān)測； 若指令確認單元寫滿5位二進制數(shù)字時，指令確認單元202將該5位的二進制數(shù)字作為預(yù)動作指令送入動作識別單元203。步驟S5，發(fā)出“取消，，指令。用腳趾按壓壓電傳感器，使其壓力值F > FTmax，發(fā)出 “取消”指令，刪除寫入指令確認單元202的二進制數(shù)字。步驟S6，輸出動作指令。根據(jù)預(yù)動作指令，采用模板匹配法尋找相應(yīng)的動作指令信號，并輸出。在本實施例中，動作識別單元203采用模板匹配法對預(yù)動作指令進行模板匹配，根據(jù)模板匹配結(jié)果輸出相應(yīng)的動作指令到驅(qū)動模塊300。步驟S7,上假肢執(zhí)行設(shè)定動作，并根據(jù)上假肢的動作判斷是否要緊急制動。在本實施例中，驅(qū)動模塊300根據(jù)信號處理模塊200輸入的驅(qū)動信號對上假肢進行相應(yīng)的操作。 若上假肢在執(zhí)行某動作過程中出現(xiàn)異常，則執(zhí)行S8。若上假肢在執(zhí)行某動作過程正常，則執(zhí)行S9。步驟S8，發(fā)出“取消”指令。用腳趾按壓壓電傳感器，使其壓力值F > FTmax，發(fā)出 “取消”指令，上假肢立即停止工作。步驟S9，執(zhí)行完S7或S8步驟后，判斷是否繼續(xù)工作。若用腳趾按壓壓電傳感器， 使其壓力值F > Flfflax超過5000毫秒，則發(fā)出“關(guān)機”信號，使控制系統(tǒng)進入關(guān)機狀態(tài)；若不發(fā)出“關(guān)機”信號，則返回步驟S2，等待腳趾再次發(fā)出電壓信號。
直至整機停止工作。以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的一種具體實施方式
，其描述較為具體詳細，但并不能理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說， 在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以作出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種用腳趾觸發(fā)上假肢多自由度運動的控制系統(tǒng)其特征在于，它是由腳趾觸發(fā)信號模塊、信號處理模塊、提示模塊和驅(qū)動模塊組成；其中所述的腳趾觸發(fā)信號模塊由信號發(fā)生器、放大電路和電壓比較器構(gòu)成；腳趾觸發(fā)信號模塊能將腳趾施加的壓力信號生成電壓信號，電壓信號經(jīng)放大和比較后送入信號處理模塊進行處理；所述的信號處理模塊包括以下單元信號采集與預(yù)處理單元、指令確認單元和動作識別單元；其中信號采集與預(yù)處理單元是用于實時接收由腳趾觸發(fā)信號模塊發(fā)送來的信號并進行預(yù)處理的單元；指令確認單元是用于存儲信號采集與預(yù)處理單元發(fā)送來的預(yù)處理結(jié)果并允許佩帶者決定是否刪除該預(yù)處理結(jié)果的單元；動作識別單元是根據(jù)預(yù)處理結(jié)果識別出相應(yīng)的動作指令并將該動作指令送入驅(qū)動模塊的單元；所述的提示模塊是用于實時提示信號采集與預(yù)處理單元的預(yù)處理結(jié)果的模塊； 所述的驅(qū)動模塊包括驅(qū)動器和驅(qū)動假肢動作的電機；當驅(qū)動器接收到信號處理模塊發(fā)送來的動作指令時，便控制電機運轉(zhuǎn)，完成假肢相應(yīng)的設(shè)定動作。
2.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，它是由腳趾觸發(fā)信號模塊(100)、信號處理模塊000)、驅(qū)動模塊(300)和提示模塊(400)組成；其中所述的腳趾觸發(fā)信號模塊(100)由信號發(fā)生器(101)、放大電路(102)、窗口電壓比較器(103)和門限電壓比較器(104)構(gòu)成；所述的信號處理模塊(200)包括信號采集與預(yù)處理單元(201)、指令確認單元(202)和動作識別單元O03)；所述的驅(qū)動模塊(300)包括驅(qū)動器(301)和電機(302)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的信號發(fā)生器采用薄膜式壓電傳感器或者貼片式壓電傳感器。
4.一種如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，它采用腳趾按壓出的壓電信號作為控制假肢的信號源，通過采集到的電壓信號識別出相應(yīng)的動作指令，控制假肢做出期望的動作。
5.如權(quán)利要求4所述的控制方法，其特征在于，包括如下步驟第一步腳趾以約定的方式按壓腳趾觸發(fā)信號模塊中的信號發(fā)生器發(fā)出電壓信號； 第二步信號處理模塊中的信號采集與預(yù)處理單元采集該電壓信號并進行預(yù)處理；信號處理模塊將預(yù)處理結(jié)果發(fā)給提示模塊；第三步根據(jù)提示模塊結(jié)果在指令確認單元中確認腳趾發(fā)出的電壓信號； 第四步確認電壓信號正確之后，信號處理模塊中的動作識別單元根據(jù)預(yù)處理結(jié)果識別出電壓信號對應(yīng)的動作指令；第五步驅(qū)動模塊根據(jù)動作指令驅(qū)動上假肢完成設(shè)定動作。
6.如權(quán)利要求5所述的控制方法，其特征在于，包括如下步驟第一步通過腳趾按壓的方式使壓電傳感器輸出電壓信號Ui, Ui的大小與腳趾按壓壓電傳感器的壓力F成正比，輸出的電壓信號Ui經(jīng)過放大電路102得到電壓信號U1,將該電壓信號送入窗口電壓比較器(103)和門限電壓比較器(104)；設(shè)定窗口電壓比較器(103)的兩個閾值電壓值為仏_和仏_且仏_<仏_。兩個閾值電壓值UTmin和UTmax分別對應(yīng)用腳趾按壓壓電傳感器的壓力值FTmin和FTmax ；當UTmin < U1<Ulmax時，對應(yīng)Flmin < F < FTmax，此時窗口電壓比較器(103)輸出一個高電平^1;當U1<Ulmin時，對應(yīng)F < Flmin,窗口電壓比較器(103)輸出一個低電平Uol ；當U1 > Ulmax時，對應(yīng) F>FTmax，窗口電壓比較器(10 輸出一個低電平Ua;設(shè)定門限電壓比較器(104)的閾值電壓UTmax，閾值電壓值仏_對應(yīng)用腳趾按壓壓電傳感器的壓力值FTmax ；當U1 > Ulfflax時，對應(yīng)F > FTmax，認為定門限電壓比較器(104)輸出一個高電平；當U1 < Ulfflax時，對應(yīng)F < Flfflax認為定門限電壓比較器(104)輸出一個低電平 Ugl;第二步信號采集與預(yù)處理單元O01)實時監(jiān)測窗口電壓比較器(103)送來的高電平 Uoh的持續(xù)時間，根據(jù)檢測到的高電平的持續(xù)的時間長短可以得到“長”高電平U·和 “短”高電平Uohs兩種信號；根據(jù)“長”高電平Uohl和“短”高電平Uohs兩種信號的順序組合可以表示不同的指令；信號采集與預(yù)處理單元(201)每檢測到一次“長”高電平U·就在指令確認單元O02)中寫入“1”并將數(shù)字“1”送入提示模塊G00)，每檢測到一次“短”高電平 Uffls就在指令確認單元(202)中寫入“0”并將該數(shù)字“0”送入提示模塊(400)；對應(yīng)上假肢的每次動作需在指令確認單元中寫入N個二進制數(shù)字“1”和“0”的順序組合；發(fā)現(xiàn)當前二進制數(shù)字有誤時，在時間Tq內(nèi)迅速按壓出“取消”指令，當前二進制數(shù)字被刪除出指令確認單元Q02)；當指令確認單元Q02)中寫滿N位二進制數(shù)字時將這N位二進制數(shù)字作為預(yù)動作指令送入動作識別單元O03)；動作識別單元(203)采用模板匹配法對預(yù)動作指令進行模板匹配，根據(jù)模板匹配結(jié)果輸出相應(yīng)的動作指令到驅(qū)動模塊(300)，實現(xiàn)對上假肢的控制；根據(jù)N的大小可以產(chǎn)生2n個預(yù)動作指令；約定N = 5，這樣就可以得到25 = 32條預(yù)動作指令；同時信號采集與預(yù)處理單元(201)還實時監(jiān)測門限電壓比較器(104)送來的高電平的持續(xù)時間，根據(jù)檢測到的高電平Ura的持續(xù)的時間長短可以得到“取消”、“開機”、“關(guān)機”三種信號；約定，若信號采集與預(yù)處理單元O01)實時監(jiān)測到的由窗口電壓比較器(103)送來的高電平Uoh的持續(xù)時間在600毫秒到2000毫秒之間，則認為是“長”高電平U·；若高電平 Uffl持續(xù)時間在100毫秒到600毫秒之間，則認為是“短”高電平Uohs ；在假肢處于關(guān)機狀態(tài)時，約定當信號采集與預(yù)處理單元O01)實時監(jiān)測到的由門限電壓比較器(104)送來的高電平Ura的持續(xù)時間超過5000毫秒并持續(xù)時間5000毫秒時，認為是“開機”信號，動作識別單元O03)開始進入工作狀態(tài)，整個假肢控制系統(tǒng)即進入工作狀態(tài)；在假肢處于工作狀態(tài)時，約定當信號采集與預(yù)處理單元O01)實時監(jiān)測到的由門限電壓比較器(104)送來的高電平Ura的持續(xù)時間超過5000毫秒并持續(xù)時間5000毫秒時，認為是“關(guān)機”信號，動作識別單元(20 停止工作，整個假肢控制系統(tǒng)即進入關(guān)機狀態(tài)；在假肢處于工作狀態(tài)時，約定當信號采集與預(yù)處理單元O01)實時監(jiān)測到的由門限電壓比較器(104)送來高電平時，認為是“取消”指令；“取消”指令的作用一是用來隨時刪除預(yù)處理結(jié)果；二是在上假肢運動時，使得信號處理模塊200立即輸出一個停止信號給驅(qū)動模塊(300)，停止上假肢的運動；第三步驅(qū)動器(301)接收到信號處理模塊(200)發(fā)送來的驅(qū)動信號時，則控制上假肢完成相應(yīng)的設(shè)定動作。
7.如權(quán)利要求6所述的控制方法，其特征在于，步驟如下第一步當假肢佩戴者想要對上假肢進行操作時，發(fā)出“開機”信號即假肢佩戴者可以刻意通過腳趾用力按壓位于腳趾下方的壓電傳感器，使壓力F > FTmax且持續(xù)的時間超過 5000毫秒，此時信號處理模塊(200)中的動作識別單元(203)開始工作，也即整個系統(tǒng)開始工作；第二步當上假肢佩帶者想要控制上假肢的“手指閉合”來實現(xiàn)抓取某個物體時，需用腳趾以FTmin < F < Flfflax的壓力按壓壓電傳感器5次，并使這5次持續(xù)的時間分別在600毫秒到2000毫秒之間、100毫秒到600毫秒之間、100毫秒到600毫秒之間、100毫秒到600毫秒之間、600毫秒到2000毫秒之間；第三步假如腳趾每次按壓壓電傳感器的壓力和持續(xù)時間都在規(guī)定范圍內(nèi)，信號處理模塊O00)中的信號采集與預(yù)處理單元(201)應(yīng)該依次檢測到U^^U^^U^pU^^U·，指令確認單元(202)中依次寫入的是“1”、“0”、“0”、“0”、“1”，并且在提示模塊(400)中觀察到的結(jié)果應(yīng)該依次是“1”、“0”、“0”、“0”、“1”;此時的10001就是想要的控制“手指閉合”的指令；當有任何一次按壓壓電傳感器的壓力或持續(xù)時間不在規(guī)定范圍內(nèi)，則會出現(xiàn)不想要的結(jié)果，在觀察提示模塊(400)確認發(fā)生錯誤后，可以迅速以F>FTmax的壓力按壓壓電傳感器，當前的數(shù)字被刪除出指令確認單元O02)；第四步指令確認單元O02)中的10001作為預(yù)動作指令被送到動作識別單元(203)， 動作識別單元O03)找到與10001對應(yīng)的動作指令，并輸出到驅(qū)動模塊(300)，此時與手指對應(yīng)的電機啟動，實現(xiàn)“手指閉合”的動作，從而實現(xiàn)抓取的功能；第五步假如因為外部干擾等因素導致電機動作不符合要求，可以用腳趾迅速按壓壓電傳感器，使其壓力值F > FTmax，發(fā)出“取消”指令，上假肢立即停止工作，實現(xiàn)緊急制動的功能；第六步當夜晚睡覺或者暫時不需要上假肢做出動作時，可以用腳趾按壓壓電傳感器， 使其壓力值F > Flfflax超過5000毫秒，則發(fā)出“關(guān)機”信號，使控制系統(tǒng)進入關(guān)機狀態(tài)，此時系統(tǒng)處于等待“開機”信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用腳趾觸發(fā)上假肢多自由度運動的控制系統(tǒng)及其控制方法，它是由腳趾觸發(fā)信號模塊、信號處理模塊、提示模塊和驅(qū)動模塊組成。使腳趾以約定的方式按壓腳趾觸發(fā)信號模塊中的信號發(fā)生器發(fā)出電壓信號；信號處理模塊中的信號采集與預(yù)處理單元采集該電壓信號并進行預(yù)處理，并將預(yù)處理結(jié)果發(fā)給提示模塊；根據(jù)提示模塊結(jié)果在指令確認單元中確認腳趾發(fā)出的電壓信號；然后信號處理模塊中的動作識別單元根據(jù)預(yù)處理結(jié)果識別出電壓信號對應(yīng)的動作指令；驅(qū)動模塊根據(jù)動作指令驅(qū)動上假肢完成設(shè)定動作。本發(fā)明可通過完整的腳趾發(fā)出信號操作假肢完成各種動作，相對于肌電信號控制和聲控來說，隱蔽性好，抗干擾能力強、操作更方便。
文檔編號A61F2/72GK102319130SQ20111021555
公開日2012年1月18日 申請日期2011年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月21日
發(fā)明者孫愛芹, 李建功, 楊婷, 樊炳輝, 王傳江, 紀鵬, 賈朝川, 黃粱松 申請人:山東科技大學