用脚趾触发上假肢多自由度运动的控制系统和控制方法

摘要

本发明公开了一种用脚趾触发上假肢多自由度运动的控制系统及其控制方法，它是由脚趾触发信号模块、信号处理模块、提示模块和驱动模块组成。使脚趾以约定的方式按压脚趾触发信号模块中的信号发生器发出电压信号；信号处理模块中的信号采集与预处理单元采集该电压信号并进行预处理，并将预处理结果发给提示模块；根据提示模块结果在指令确认单元中确认脚趾发出的电压信号；然后信号处理模块中的动作识别单元根据预处理结果识别出电压信号对应的动作指令；驱动模块根据动作指令驱动上假肢完成设定动作。本发明可通过完整的脚趾发出信号操作假肢完成各种动作，相对于肌电信号控制和声控来说，隐蔽性好，抗干扰能力强、操作更方便。

主权项

一种用脚趾触发上假肢多自由度运动的控制系统的控制方法：其特征在于，所述的控制系统是由脚趾触发信号模块(100)、信号处理模块(200)、提示模块(400)和驱动模块(300)组成；其中：所述的脚趾触发信号模块(100)由信号发生器(101)、放大电路(102)、窗口电压比较器(103)和门限电压比较器(104)构成；脚趾触发信号模块(100)能将脚趾施加的压力信号生成电压信号，电压信号经放大和比较后送入信号处理模块(200)进行处理；所述的信号处理模块(200)包括以下单元：信号采集与预处理单元(201)、指令确认单元(202)和动作识别单元(203)；其中信号采集与预处理单元(201)是用于实时接收由脚趾触发信号模块(100)发送来的信号并进行预处理的单元；指令确认单元(202)是用于存储信号采集与预处理单元(201)发送来的预处理结果并允许佩带者决定是否删除该预处理结果的单元；动作识别单元(203)是根据预处理结果识别出相应的动作指令并将该动作指令送入驱动模块(300)的单元；所述的提示模块(400)是用于实时提示信号采集与预处理单元(201)的预处理结果的模块；所述的驱动模块(300)包括驱动器(301)和驱动假肢动作的电机(302)；当驱动器(301)接收到信号处理模块(200)发送来的动作指令时，便控制电机(302)运转，完成假肢相应的设定动作；该控制系统的控制方法是：它采用脚趾按压出的压电信号作为控制假肢的信号源，通过采集到的电压信号识别出相应的动作指令，控制假肢做出期望的动作，具体步骤如下：第一步：脚趾以约定的方式按压脚趾触发信号模块(100)中的信号发生器 (101)发出电压信号；其中，所述的脚趾触发信号模块(100)的工作方法是：通过脚趾按压的方式使信号发生器(101)输出电压信号Ui，Ui的大小与脚趾按压信号发生器(101)的压力F成正比，输出的电压信号Ui经过放大电路(102)得到电压信号UI，将该电压信号送入窗口电压比较器(103)和门限电压比较器(104)；设定窗口电压比较器(103)的两个阈值电压值为UTmin和UTmax且UTmin＜UTmax，两个阈值电压值UTmin和UTmax分别对应用脚趾按压信号发生器(101)的压力值FTmin和FTmax；当UTmin＜UI＜UTmax时，对应FTmin＜F＜FTmax，此时窗口电压比较器(103)输出一个高电平UOH；当UI＜UTmin时，对应F＜FTmin，窗口电压比较器(103)输出一个低电平UOL；当UI＞UTmax时，对应F＞FTmax，窗口电压比较器(103)输出一个低电平UOL；设定门限电压比较器(104)的阈值电压UTmax，阈值电压值UTmax对应用脚趾按压信号发生器(101)的压力值FTmax；当UI＞UTmax时，对应F＞FTmax，认定门限电压比较器(104)输出一个高电平UGH；当UI＜UTmax时，对应F＜FTmax认定门限电压比较器(104)输出一个低电平UGL；第二步：信号处理模块(200)中的信号采集与预处理单元(201)采集该电压信号并进行预处理；信号处理模块(200)将预处理结果发给提示模块(400)；根据提示模块(400)结果在指令确认单元(202)中确认脚趾发出的电压信号；确认电压信号正确之后，信号处理模块(200)中的动作识别单元(203)根据预处理结果识别出电压信号对应的动作指令；详细过程是：信号采集与预处理单元(201)实时监测窗口电压比较器(103)送来的高电平UOH的持续时间，根据检测到的高电平UOH的持续的时间长短可以得到“长”高电平UOHL和“短”高电平UOHS两种信号；根据“长”高电平UOHL和“短”高电平UOHS两种信号的顺序组合可以表示不同的指令；信号采集与预处理单元(201)每 检测到一次“长”高电平UOHL就在指令确认单元(202)中写入“1”并将数字“1”送入提示模块(400)，每检测到一次“短”高电平UOHS就在指令确认单元(202)中写入“0”并将该数字“0”送入提示模块(400)；对应上假肢的每次动作需在指令确认单元中写入N个二进制数字“1”和“0”的顺序组合；发现当前二进制数字有误时，在时间TQ内迅速按压出“取消”指令，当前二进制数字被删除出指令确认单元(202)；当指令确认单元(202)中写满N位二进制数字时将这N位二进制数字作为预动作指令送入动作识别单元(203)；动作识别单元(203)采用模板匹配法对预动作指令进行模板匹配，根据模板匹配结果输出相应的动作指令到驱动模块(300)，实现对上假肢的控制；根据N的大小可以产生2N个预动作指令；约定N=5，这样就可以得到25=32条预动作指令；同时信号采集与预处理单元(201)还实时监测门限电压比较器(104)送来的高电平UGH的持续时间，根据检测到的高电平UGH的持续的时间长短可以得到“取消”、“开机”、“关机”三种信号；约定，若信号采集与预处理单元(201)实时监测到的由窗口电压比较器(103)送来的高电平UOH的持续时间在600毫秒到2000毫秒之间，则认为是“长”高电平UOHL；若高电平UOH持续时间在100毫秒到600毫秒之间，则认为是“短”高电平UOHS；在假肢处于关机状态时，约定当信号采集与预处理单元(201)实时监测到的由门限电压比较器(104)送来的高电平UGH的持续时间超过5000毫秒并持续时间5000毫秒时，认为是“开机”信号，动作识别单元(203)开始进入工作状态，整个假肢控制系统即进入工作状态；在假肢处于工作状态时，约定当信号采集与预处理单元(201)实时监测到 的由门限电压比较器(104)送来的高电平UGH的持续时间超过5000毫秒并持续时间5000毫秒时，认为是“关机”信号，动作识别单元(203)停止工作，整个假肢控制系统即进入关机状态；在假肢处于工作状态时，约定当信号采集与预处理单元(201)实时监测到的由门限电压比较器(104)送来高电平UGH时，认为是“取消”指令；“取消”指令的作用一是用来随时删除预处理结果；二是在上假肢运动时，使得信号处理模块200立即输出一个停止信号给驱动模块(300)，停止上假肢的运动；第三步：驱动模块根据动作指令驱动上假肢完成设定动作，也就是说，驱动器(301)接收到信号处理模块(200)发送来的驱动信号时，则控制上假肢完成相应的设定动作。