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動力型假肢的路況識別裝置的制造方法

文檔序號:10121485閱讀:239來源:國知局
動力型假肢的路況識別裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型專利用于動力型假肢智能路況識別,屬于醫(yī)療保健技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]目前我國肢體殘疾人數(shù)高達2412萬,并且伴隨著環(huán)境以及交通車禍、自然災(zāi)害、暴力沖突等因素的影響,殘疾人數(shù)在持續(xù)增長。殘疾導(dǎo)致的截肢會造成截肢者生活中的各種困難,失去了基本的運動功能,甚至生活不能自理。安裝假肢,像普通人一樣行動自如是讓他們重獲新生的唯一途徑。因此,為了提高殘障者的生活質(zhì)量與社會參與能力,在功能上和外觀上都接近健肢的假肢的研發(fā)設(shè)計成為生物醫(yī)學(xué)康復(fù)領(lǐng)域的一個研究重點。
[0003]目前市場上的假肢產(chǎn)品大多為被動式假肢,不能實現(xiàn)需要踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)提供動力的活動,比如上樓梯和上斜坡等,并且沒有獨立自主的活動能力,穿戴者在生活中仍會表現(xiàn)出較為吃力,因此必須為膝關(guān)節(jié)提供動力。設(shè)計動力型下肢假肢的一個關(guān)鍵因素是路況識別,因為這些設(shè)備是不獨立的機器人,需要與用戶步態(tài)相協(xié)調(diào)。智能假肢需要實時感知地面路況的變化,并根據(jù)不同的地面狀況和步行模式改變控制策略,從而實現(xiàn)假肢穿戴者的自然行走。
[0004]雖然已經(jīng)存在能夠支持平地行走、上/下樓梯、上/下斜坡等動作的假肢存在,初步具備了代替殘缺肢體的功能,但仍有一些問題亟需解決,如(1)路況識別精度低、可靠性不高,假肢的步態(tài)與自然行走仍存在較大差異;(2)運動信息只有在假肢穿戴者完成一定的動作后才能采集到,在識別時不可避免的產(chǎn)生一定的延遲,對后續(xù)動力型下肢設(shè)備的協(xié)調(diào)控制帶來影響;(3)表面肌電信號低頻微弱等特性,采集時極易受到個體生理、采集設(shè)備干擾等影響,為步態(tài)識別帶來困難。
【實用新型內(nèi)容】
[0005]鑒于上述問題,本實用新型的目的是提供一種路況識別裝置,可以為動力型智能假肢提供路況識別功能。通過對人運動中的視覺研究獲知,提前獲得環(huán)境信息可以指導(dǎo)下肢的運動。因此,設(shè)計一個路況識別裝置安置于測試者腰部左側(cè),激光距離傳感器用于采集傳感器與被測地形之間的直線距離,慣性測量傳感器附連到激光距離傳感器,用于采集行走過程中激光距離傳感器與地面之間的垂直距離及激光束與豎直方向的夾角,進而通過計算得到地形高度信息,通過小波去噪算法對所采集的數(shù)據(jù)進行濾波處理,提取特征值,最后選擇訓(xùn)練簡單、結(jié)構(gòu)清晰的概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行路況識別。結(jié)果表明該便攜式裝置能有效識別平地、上樓、下樓、上坡和下坡五種路況并提高識別精度,證明了將可穿戴式路況識別系統(tǒng)應(yīng)用于動力型下肢假肢環(huán)境感知系統(tǒng)的有效性和可行性。
[0006]本實用新型所采用的技術(shù)方案是:
[0007]—種動力型假肢的路況識別裝置,其組成包括激光距離傳感器、慣性測量傳感器、RS232串口線、杜邦線、電源和單片機;其中,激光距離傳感器與RS232串口線相連;慣性測量傳感器與杜邦線相連;RS232串口線、杜邦線分別和單片機相連;電源也與單片機相連;
[0008]同時,慣性測量傳感器粘接在激光距離傳感器上。
[0009]所述激光距離傳感器型號為RWRFA-2 ;慣性測量單元是型號為ENC-03MB的陀螺儀和型號為MMA7361的三軸加速度計二合一模塊(馳瑞縱橫智能車科技);所述單片機型號為 msp430fl49。
[0010]本實用新型的有益效果是:
[0011](1)與基于運動信息和肌電信號的路況識別方法相比,基于激光距離傳感器和概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的路況識別系統(tǒng)大大提高了路況識別的精度,在實驗測試中,可達到98%。
[0012](2)由于五種路況下激光距離信息和地形高度信息整體趨勢在不同范圍內(nèi)變化,因此簡化特征值篩選過程,在實時應(yīng)用上能夠節(jié)省時間。
[0013](3)由于激光距離信號與步態(tài)周期無對應(yīng)關(guān)系,該方法可避免按照步態(tài)周期劃分信號進行分析,在改變路況前1.24?3.6秒前識別出下一路況,可避免識別延時。
[0014](4)簡化了傳感器的安裝。
【附圖說明】
[0015]圖1示意性說明了本實用新型系統(tǒng)組成圖;
[0016]其中,1-激光距離傳感器;2_慣性測量傳感器;3-RS232串口線;4_杜邦線;5_電源;6-單片機;
[0017]圖2為系統(tǒng)原理圖;
[0018]其中,1-激光距離傳感器,2-慣性測量傳感器。
[0019]圖3為本實用新型對五種路況的識別結(jié)果。
【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖進一步說明本實用新型。
[0021]本實用新型所述的動力型假肢路況識別裝置系統(tǒng)組成如圖1所示,其組成包括激光距離傳感器(1)、慣性測量傳感器(2)、RS232串口線(3)、杜邦線(4)、電源(5)和單片機
(6);其中,激光距離傳感器(1)與RS232串口線(3)相連;慣性測量傳感器(2)與杜邦線
(4)相連;RS232串口線(3)、杜邦線(4)分別和單片機(6)相連;電源(5)與單片機(6)相連。
[0022]在實時測試中,本實用新型安置于測試者腰部左側(cè),激光距離傳感器(1)通過測量調(diào)節(jié)自身與垂直方向初始角度呈45度,并通過RS232串口線(3)與單片機(6)相連,得到激光距離信息d ;慣性測量傳感器(2)以黏貼的方式附連到激光距離傳感器(1)上,以保證(2)與(1)處在同一水平高度并能測量出激光距離傳感器角度變化,通過杜邦線(4)與單片機(6)相連,得到加速度和角加速度,在單片機(6)中經(jīng)計算得到地形高度信息h,電源(5)采用直插式與單片機(6)相連,以保證整個裝置的供電。得到的數(shù)據(jù)信息經(jīng)小波去噪模塊濾波去噪后與特征提取模塊相連,得到能夠反映物種路況特征的特征值輸入概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)路況識別模塊進行路況識別,最終得到識別結(jié)果,動力型下肢假肢根據(jù)不同行走路況做出反應(yīng),使假肢與另一側(cè)的健肢協(xié)調(diào)運動。路況識別裝置是動力型假肢的一部分,此識別裝置也可以作為單獨的設(shè)備應(yīng)用于機器人、下肢康復(fù)設(shè)備等。
[0023]所述激光距離傳感器(1)型號為RWRFA-2,測量量程為2m,測量精度為土 1mm,激光等級為波長640nm的紅色可見激光,二級人眼安全(深圳盈勤科技有限公司)。
[0024]所述慣性測量單元(2)是型號為ENC-03MB的陀螺儀和型號為MMA7361的三軸加速度計的二合一模塊,集成在同一芯片上(馳瑞縱橫智能車科技),集成以后的慣性測量單元輸出引腳與杜邦線⑷相連。
[0025]所述RS232串口線(3)型號為DB101,為直連9針串口線(綠聯(lián)數(shù)碼旗艦店)。
[0026]所述杜邦線(4)型號為P40 (綠聯(lián)數(shù)碼旗艦店)。
[0027]所述電源(5)型號為B0503S-1W單片機電源,其特點為SIP4、DIP8標(biāo)準(zhǔn)引腳方式(恒達裕電子)。
[0028]所述單片機(6)型號為msp430f 149,其特點為帶有串口以保障與電源和激光距離傳感器的連接,并且低功耗,適于移動設(shè)備(寧波欣創(chuàng)電子科技)。
[0029]在實際應(yīng)用中,假肢穿戴者正常行走,行走開始,接入電源(5)本實用新型開始工作,激光距離傳感器(1)實時測量激光距離,采集到的信息通過RS232串口線(3)到單片機
(5),慣性測量傳感器(2)實時測量加速度及角速度信息,采集到的信息通過杜邦線(4)采集到單片機(6)并在單片機(6)內(nèi)通過計算得到地形高度。在單片機(6)內(nèi)激光距離信息及地形高度信息每采集8個數(shù)據(jù)便進行一次信息處理,信息處理包括小波去噪、特征提取、概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)路況識別,然后得到假肢穿戴者行走前方的路況信息,為后續(xù)的假肢控制提供路況信息。
[0030]本實用新型的系統(tǒng)原理圖如圖2所示,在假肢穿戴者身上安置路況識別裝置,激光距離傳感器(1)通過測量調(diào)節(jié),使自身與垂直方向初始角度呈45度,在行走過程中慣性測量單元實時檢測高度以及角度信息發(fā)生的變化,采集傳感器與被測地形之間的直線距離以及地形高度信息,通過小波去噪算法對所采集的數(shù)據(jù)進行濾波處理,提取特征值,最后選擇訓(xùn)練簡單、結(jié)構(gòu)清晰的概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行路況識別。其中小波去噪選擇小波閾值去噪法,利用設(shè)定閾值消除高頻信息內(nèi)的噪聲干擾,保留低頻原始信號的小波系數(shù),再將處理后的高、低頻系數(shù)重構(gòu),獲得濾波后的信號。提取特征值,每次識別,對h和d各采集8個數(shù)據(jù),提取最大值最小值均值,共6個特征值。最后路況識別選擇概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),輸入為6個特征值,輸出則選用5種路況類型。
[0031]圖3為本實用新型路況識別裝置對五種路況的識別結(jié)果。實時測試過程,利用訓(xùn)練完成的PNN對104組測試數(shù)據(jù)進行路況識別,其中*表示測試樣本的步態(tài)類別,Λ表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別的步態(tài)類別。當(dāng)*與Λ重合時表示識別結(jié)果正確,否則表示識別結(jié)果錯誤。由圖3可以看出,在用測試樣本進行驗證時,僅有兩組下斜坡誤識別為平地行走,將識別精度提高到98%,與其他方法相比,有了很大的改善。另外,由于激光距離信號與步態(tài)周期無對應(yīng)關(guān)系,該方法可避免按照步態(tài)周期劃分信號進行分析,簡化特征值篩選過程,激光落在人前一米左右,按2?2.9km/h的人體步速,則1.24?1.8秒前能夠預(yù)識別出路況,避免延遲。
[0032]本實用新型未盡事宜為公知技術(shù)。
【主權(quán)項】
1.一種動力型假肢的路況識別裝置,其特征為其組成包括激光距離傳感器、慣性測量傳感器、RS232串口線、杜邦線、電源和單片機;其中,激光距離傳感器與RS232串口線相連;慣性測量傳感器與杜邦線相連;RS232串口線、杜邦線分別和單片機相連;電源也與單片機相連; 同時,慣性測量傳感器粘接在激光距離傳感器上。2.如權(quán)利要求1所述的動力型假肢的路況識別裝置,其特征為所述激光距離傳感器型號為RWRFA-2 ;慣性測量單元是型號為ENC-03MB的陀螺儀和型號為MMA7361的三軸加速度計的二合一模塊;所述單片機型號為msp430fl49。
【專利摘要】本實用新型為一種動力型假肢的路況識別裝置,其組成包括激光距離傳感器、慣性測量傳感器、RS232串口線、杜邦線、電源和單片機;其中,激光距離傳感器與RS232串口線相連;慣性測量傳感器與杜邦線相連;RS232串口線、杜邦線分別和單片機相連;電源也與單片機相連;同時,慣性測量傳感器粘接在激光距離傳感器上。本實用新型與基于運動信息和肌電信號的路況識別方法相比,基于激光距離傳感器和概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的路況識別系統(tǒng)大大提高了路況識別的精度,在實驗測試中,可達到98%,并簡化特征值篩選過程、可避免識別延時。
【IPC分類】A61B5/11, A61F2/70
【公開號】CN205031391
【申請?zhí)枴緾N201520801880
【發(fā)明人】張燕, 許京, 郜鑫, 周穎
【申請人】河北工業(yè)大學(xué)
【公開日】2016年2月17日
【申請日】2015年10月13日
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