一种基于嵌入式系统的助力行走装置及控制方法

摘要

本发明公开了一种基于嵌入式系统的助力行走装置及控制方法，装置左侧腰部主支撑件和右侧腰部主支撑件的一侧通过腰部调整机构连接在一起，六轴运动处理组件位于左侧腰部主支撑架外侧，紧急按钮位于右侧腰部主支撑架的外侧，左侧背部支撑架和右侧背部支撑架固定在对应侧的腰部主支撑架上，主控箱体通过连接片固定在背部支撑架上；髋关节驱动机构从下方与腰部支撑件相连接；装置还包括髋关节执行机构、膝关节的执行机构、脚部机构；控制方法为传感器测量压力信号、坐标信号、速度与角度信号；信号经中央处理器处理，产生伺服电机控制参数和短信模块控制信号；紧急情况，手动按动紧急按钮或装置自动将坐标信号和预设信息经由短信模块发送至目标对象。

说明书

技术领域

本发明涉及到一种助力行走机构，具体涉及一种基于嵌入式系统的助力行走装置及控制方法。

背景技术

随着社会的不断发展，人民的生活水平以及医疗水平都有了大幅度的提升，从而使国民人均寿命也由六七十年代的60岁左右提升到如今的75岁左右，逼近世界发达国家的平均水平，随着人均寿命的增加，老年人在社会总人口中所占的比例也在不断增加，截止2010年，我国60岁以上的老年人口已超过1.78亿，达到总人口的13.26％。同时，65岁以上的老年人口约为1.19亿，占总人口的8.87％，社会老龄化问题越来越严峻。

老年人口数量的增加，使得老年人产品需求量急剧上升。随着年龄的增加，老年人的骨头变“脆”，膝关节、髋关节等很容易出现疼痛、炎症或病变，而且还要面对骨质疏松的影响，这些问题都限制了老年人的运动，而运动的减少又进一步加重了上述问题，就这样恶性循环。为了解决这个问题，市场上已经出现了很多助行机构，它们在一定程度上缓解了老年人运动问题。

但目前在市场上存在的下肢助行机构存在诸多限制：外骨骼驱动系统多使用液压或气压驱动，控制精度不高、噪声大，且驱动系统外壳采用固定结构，为了保证关节的转动角度，使很多内部机构暴露在外，且容易对使用者造成伤害；此外现有外骨骼无法与其他设备互联，使用者外出时，家人无法实施掌握使用者和机构的运行情况。因此，针对上述技术问题，有必要提供一种电机驱动的基于嵌入式系统的下肢康复外骨骼，以解决上述缺陷。本发明针对上述不足，提供一种基于嵌入式系统的下肢助力行走装置，以帮助需要人群进行助力行走。

发明内容

本发明要解决的问题就是提供一种基于嵌入式系统的电机驱动、为使用者关节提供额外转矩的助力行走装置，要求该装置控制方便、精度高，可以远程追踪，有很高的外出使用安全性。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于嵌入式操作系统的助力行走装置，包括右侧背部支撑架、主控箱体、左侧背部支撑架、腰带固定螺栓、腰带、连接片、右侧腰部支撑件、前侧腰部调节结构、后侧腰部调节结构、髋关节固定螺栓、髋关节驱动机构、左侧腰部支撑件、错位连接件、错位连接件螺栓、大腿主连接件、大腿固定机构、膝关节驱动机构、小腿固定机构、小腿主连接件、脚板螺栓、脚板、脚部固定带；

所述右侧腰部主支撑架和左侧腰部主支撑架机构相同，其一端为“G”型结构，另一端通过前侧腰部调节件和后侧腰部调节件固定；六轴运动处理组件位于左侧腰部主支撑架的外侧，紧急按钮位于右侧腰部主支撑架外侧；所述六轴运动处理组件与紧急按钮通过导线与主控箱连接；

所述左侧背部支撑架和右侧背部支撑架套在对应侧腰部主支撑架上，并用螺栓紧固连接；主控箱体通过连接片固定在左侧背部支撑架和右侧背部支撑架上，腰带上的套孔穿过左侧背部支撑架和右侧背部支撑架，并使用螺栓固定；

所述髋关节驱动机构位于腰部支撑件的下侧，并通过髋关节固定外壳与腰部支撑件的“G”型结构螺纹连接；错位连接件、大腿主连接件、大腿固定机构构成髋关节执行机构，错位连接件与髋关节驱动机构的输出法兰固定连接，大腿主连接件与错位连接件固定连接，大腿固定机构与大腿主连接件相连；

所述膝关节驱动机构通过螺钉紧固的方式与大腿主连接件连接；小腿主连接件、小腿固定机构组成膝关节的执行机构，小腿主连接件与膝关节驱动机构固定连接，小腿固定机构与小腿主连接件相连；

所述脚板和脚部固定带组成了脚部机构，脚板与小腿主连接件铰接，脚部固定带固定铆接在脚板上。

进一步的，右侧腰部主支撑结构与左侧腰部主支撑机构的结构相同，其中，所述右侧腰部主支撑结构包括L型支撑件和G型连接件；所述L型支撑件的一端设置G型连接件固定螺栓，且G型连接件固定螺栓与G型连接件通过L型支撑件螺母紧固。

进一步的，所述的髋关节驱动机构均包括编码计数器、髋关节伺服电机、伺服电机垫片、髋关节减速器、减速器垫片、输出轴、髋关节键、髋关节输出法兰、髋关节固定外壳、左侧固定圆盘、右侧固定圆环、髋关节转动外壳、定位轴承、轴承定位法兰、髋关节外壳垫圈，其中，髋关节伺服电机的尾部安装有计数用编码计数器，伺服电机输出轴与髋关节减速器相连；减速器输出轴与髋关节输出法兰通过髋关节键相连接；髋关节固定外壳与左侧固定圆盘、右侧固定圆环通过螺钉固定连接，形成外壳体，髋关节转动外壳与髋关节输出法兰相连接，输出轴一端与定位轴承相连，另一端与髋关节减速器相连。

进一步的，所述的大腿固定机构包括束缚带固定结构、长固定螺栓、压力应变片、大腿束缚带，其中，压力应变片固定在束缚带固定结构的内侧，束缚带固定结构通过长固定螺栓与大腿主连接件固定，大腿束缚带与束缚带固定结构固定。

进一步的，所述的主控箱由主控箱底壳、主控箱盖、短信模块、短信模块天线、中央处理器、GPS模块、GPS模块接收器、锂电池、蓝牙模块、警报模块组成，其中主控箱底壳、主控箱盖通过螺栓连接，短信模块天线与主控箱底壳固定连接，且天线端在箱体外部，GPS模块接收器与主控箱盖外部相连，中央处理器、GPS模块、锂电池、蓝牙模块、警报模块在箱体内部与主控箱底壳固定连接。

进一步的，所述的六轴运动处理组件位于左侧腰部主支撑架的后侧，使用粘贴的方式使六轴运动处理组件与左侧腰部主支撑架固定；所述的紧急按钮位于右侧腰部主支撑架的右侧，使用螺钉固定的方式使紧急按钮和左侧腰部主支撑架固定。

进一步的，所述的嵌入式控制系统包括信号采集系统、中央处理系统、电机控制系统、信息发送系统和CAN总线。

进一步的，所述的信号采集系统包括GPS模块、六轴运动处理组件、压力应变片、编码计数器；所述的中央处理系统包括处理芯片、串行接口、网络接口、通用输入输出口等，所述处理芯片采用嵌入式操作系统UCOSIII；所述的电机控制系统包括伺服电机驱动芯片和伺服电机，所述伺服电机驱动芯片采用大功率直流驱动芯片。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

进一步的，所述装置的控制方法为：

步骤一：压力应变片测量人体下肢与康复装置间作用所产生的压力信号；GPS模块采集坐标信号；六轴运动处理组件获取装置速度与角度信号；

步骤二：所测压力信号经放大和模数转换后经总线传输至中央处理器；坐标信号和速度与角度信号经放大和模数转换后经蓝牙模块传输至中央处理器；

步骤三：中央处理器综合处理各种信号；

步骤四：中央处理器产生伺服电机控制参数和短信模块控制信号；

步骤五：编码器测量伺服电机转速，通过PID控制算法修复伺服电机转速；

步骤六：重复以上步骤一到步骤五，实现基于嵌入式系统的助力行走装置的正常运行；

步骤七：紧急情况，手动按动紧急按钮或装置自动将坐标信号和预设信息经由短信模块发送至目标对象。

采用控制芯片搭载嵌入式控制系统，结构简单，成本较低，适合推广。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2是本发明整体结构背面示意图；

图3是本发明腰部调整结构装配爆炸图；

图4是本发明右侧腰部主支撑件和紧急按钮示意图；

图5是本发明髋关节驱动机构爆炸图；

图6是本发明大腿固定机构示意图；

图7是本发明主控制箱示意图；

图8是本发明电路结构示意图。

附图标记：

1-右侧背部支撑架、2-主控箱体、3-左侧背部支撑架、4-腰带固定螺栓、5-腰带、6-连接片、7-右侧腰部支撑件、8-前侧腰部调节结构、9-后侧腰部调节结构、10-髋关节固定螺栓、11-髋关节驱动机构、12-左侧腰部支撑件、13-错位连接件、14、错位连接件螺栓、15-大腿主连接件、16-大腿固定机构、17-膝关节驱动机构、18-小腿固定机构、19-小腿主连接件、20-脚板螺栓、21-脚板、22-脚部固定带、23-紧急按钮、24-六轴运动处理组件、201-主控箱底壳、202-中央处理器、203-短信模块天线、204-短信模块、205-GPS模块接收器、206-GPS模块、207-主控箱盖、208-警报模块、209-锂电池、210-蓝牙模块、211-警报器孔、701-“G”型连接件、702-腰部固定螺栓、703-G型连接件固定螺栓、704-L型支撑件螺纹、705-L型支撑件、1101-编码计数器、1102-髋关节伺服电机、1103-减速器固定螺栓、1104-伺服电机垫片、1105-减速器垫片、1106-髋关节减速器、1107-髋关节键、1108-髋关节外壳固定螺栓、1109-左侧固定圆盘、1110-输出轴、1111-髋关节转动外壳、1112-髋关节输出法兰、1113-髋关节输出法兰螺栓、1114-髋关节固定外壳、1115-定位轴承、1116-输出法兰挡圈、1117-轴承定位法兰、1118-髋关节外壳垫圈、1119-右侧固定圆环、1120-髋关节端盖螺栓。

具体实施方式

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。

结合附图1、2和3，在本发明实例中，一种基于嵌入式系统的下肢助力行走装置，所述下肢助力行走机构其右侧腰部主支撑架7和左侧腰部主支撑架12机构相同，其一端为“G”型结构，另一端通过前侧腰部调节件8和后侧腰部调节件9固定；六轴运动处理组件24位于左侧腰部主支撑架12的外侧，紧急按钮23位于右侧腰部主支撑架7的外侧；所述左侧背部支撑架3和右侧背部支撑架1套在对应侧腰部主支撑架上，并用螺栓紧固连接；主控箱体2通过连接片6固定在左侧背部支撑架3和右侧背部支撑架1上，腰带5上的套孔穿过左侧背部支撑架3和右侧背部支撑架1，并使用螺栓固定；

所述髋关节驱动机构11位于腰部支撑件7的下侧，并通过髋关节固定外壳1104与腰部支撑件7的“G”型结构螺纹连接；错位连接件13、大腿主连接件15、大腿固定机构16构成髋关节执行机构，错位连接件13与髋关节驱动机构11的输出法兰1112固定连接，大腿主连接件15与错位连接件13固定连接，大腿固定机构16与大腿主连接件15相连；

所述膝关节驱动机构17通过螺钉紧固的方式与大腿主连接件15连接；小腿主连接件19、小腿固定机构18组成膝关节的执行机构，小腿主连接件19与膝关节驱动机构17固定连接，小腿固定机构18与小腿主连接件19相连；

所述脚板21和脚部固定带22组成脚部机构，脚板21与小腿主连接件19铰接，脚部固定带22固定铆接在脚板21上；

结合附图4，右侧腰部主支撑结构7与左侧腰部主支撑结构12结构相同，其中，所述右侧腰部主支撑结构7包括L型支撑件705和G型连接件701；所述L型支撑件705的一端设置G型连接件固定螺栓703，且G型连接件固定螺栓703与G型连接件701通过L型支撑件螺母704紧固。

所述嵌入式控制系统由信号采集系统、中央处理系统、电机控制系统、信息发送系统和CAN总线组成，信号采集系统采集机构的各种信息经由CAN总线传输至中央处理系统，信息被处理后生成电机控制信号和警报信号发送至电机控制系统、信息发送系统；

所述信号采集系统由GPS模块206、六轴运动处理组件24、压力应变片603、编码计数器组成1101，GPS模块206与助行机构的总控箱固2定连接，六轴运动处理组24件位于右侧腰部支撑件7上，可以测量三轴角速度、三轴加速，以数字输出六轴或九轴的旋转矩阵、四元数、欧拉角格式的融合演算数据；压力应变片位于大腿固定带16与大腿主连接件15之间；

所述中央处理系统由处理芯片、串行接口、网络接口、通用输入输出口等组成，所述处理芯片采用嵌入式操作系统UCOSIII；电机控制系统由伺服电机驱动芯片和伺服电机组成，所述伺服电机驱动芯片采用大功率直流驱动芯片。

在本实施例中，患者穿戴机构时，通过调节左侧腰部支撑件12以及右侧腰部支撑件7和可调节腰部连接机构8的位置关系，实现不同腰围尺寸的康复人群；腰带上分布的若干圆孔可以多样搭配以适合自身，且内侧的柔软材料也使得使用感上升；大腿错位连接件14和大腿主连接件15搭配不同圆孔可以适合不同身高康复人员的需要。

结合附图5，在本实施例中，髋关节驱动机构11包括编码计数器1101、伺服电机1102、减速器1106、保护外壳1114和转动保护壳1111、髋关节输出法兰1112、轴承1115、垫圈1118、外壳连接法兰1117；其工作原理是：伺服电机1102收到控制系统的指令后发生转动，编码计数器1101记录转速，伺服电机1102的输出轴与减速器1106的输入端相吻合，实现减速，并通过减速器1106的输出轴1110将减速后的转速输出，实现髋关节输出法兰1112的转动，达到髋关节驱动机构的目的。

结合附图6，在本实施例中，大腿固定机构16包括束缚带固定结构1601、长固定螺栓1602、压力应变片1603、大腿束缚带1604，其中，压力应变片1603固定在束缚带固定结构1601的内侧，束缚带固定结构1601通过长固定螺栓1602与大腿主连接件15固定，大腿束缚带1604与束缚带固定结构1601固定；在嵌入式控制系统运行时，大腿和小腿的运动经由大腿束缚带16和小腿束缚带18产生压力，测量装置上压力应变片1603发生形变，从而测量出压力值，产生压力值信号。

在本实施例中，六轴运动处理组件24采用MPU-6050模块，模块使用螺栓固定于左侧腰部主支撑架12右侧；所述的紧急按钮23采用不锈钢材料，位于右侧腰部主支撑架7的右侧，并通过螺钉紧固连接在左侧腰部主支撑架7上。运动时六轴运动处理组件24测量三轴角速度、三轴加速，并以数字输出六轴或九轴的旋转矩阵、四元数、欧拉角格式的融合演算数据；当发生危险时，手动按警报按钮或系统自动产生警告信息，该信息经由中央处理器处理后产生信号使短信发送模块发送短信，达到告知家人的作用。

结合附图7，主控箱2包括主控箱底壳201、主控箱盖207、短信模块204、短信模块天线203、中央处理器202、GPS模块206、GPS模块接收器205、警报模块208、锂电池209、蓝牙模块210，其中主控箱底壳201、主控箱盖207通过螺栓连接，短信模块天线203与主控箱底壳201固定连接，且天线端在箱体外部，GPS模块接收器205与主控箱盖207外部相连，中央处理器202、GPS模块206、警报模块208、锂电池209、蓝牙模块210在箱体内部与主控箱底壳201固定连接；中央处理系统接收经由CAN总线传输的数据，经由嵌入式操作系统处理，并将处理后的信息发送到对应的控制模块；嵌入式控制系统产生的电机控制信号控制伺服电机驱动芯片产生伺服电机所需的电流和电压，已达到系统需要的转矩；中央处理系统可以通过JTAG接口下载嵌入式控制系统控制程序，并可通过串行接口对系统进行监控。

结合附图8，嵌入式控制系统包括信号采集系统、中央处理系统、电机控制系统、信息发送系统和CAN总线。信号采集系统包括GPS模块206、六轴运动处理组件24、压力应变片1603、编码计数器1601；所述的中央处理系统包括处理芯片、串行接口、网络接口、通用输入输出口等，所述处理芯片采用嵌入式操作系统UCOSIII；所述的电机控制系统包括伺服电机驱动芯片和伺服电机1102，所述伺服电机驱动芯片采用大功率直流驱动芯片。

在本实施例中，装置的控制方法为：

步骤一：压力应变片1603测量人体下肢与康复装置间作用所产生的压力信号；GPS模块206采集坐标信号；六轴运动处理组件24获取装置速度与角度信号；

步骤二：所测压力信号经放大和模数转换后经总线传输至中央处理器202；坐标信号和速度与角度信号经放大和模数转换后经蓝牙模块2507传输至中央处理器202；

步骤三：中央处理器202综合处理各种信号；

步骤四：中央处理器202产生伺服电机1102控制参数和短信模块控制信号；

步骤五：编码器测量伺服电机1102转速，通过PID控制算法修复伺服电机1102转速；

步骤六：重复以上步骤一到步骤五，实现基于嵌入式系统的助力行走装置的正常运行；

步骤七：紧急情况，手动按动紧急按钮23或装置自动将坐标信号和预设信息经由短信模块发送至目标对象。

本发明虽然已经给出了本发明的一些实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。