[實(shí)用新型]一種基于PCI1020運(yùn)動(dòng)控制卡的假肢關(guān)節(jié)控制器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201220167958.6
• 申請日: 2012-04-19
• 公開（公告）號: CN202605059U
• 公開（公告）日: 2012-12-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄧周虎;張軍;黨丹珩;劉誠
• 申請（專利權(quán)）人: 西北大學(xué)
• 主分類號: A61F2/70
• 分類號: A61F2/70
• 代理公司: 西安恒泰知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61216
• 代理人: 李鄭建

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及電控系統(tǒng)，特別涉及一種基于PCI1020運(yùn)動(dòng)控制卡的假肢關(guān)節(jié)控制器。

背景技術(shù)

人體肢體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)檢測和模擬具有極大的醫(yī)學(xué)應(yīng)用價(jià)值，假肢的設(shè)計(jì)與控制不僅僅能夠造福于肢體殘疾人，更是一個(gè)國家運(yùn)動(dòng)學(xué)、生命科學(xué)、自動(dòng)控制等實(shí)力的集中體現(xiàn)。因而成為世界各國研究的重點(diǎn)。

傳統(tǒng)的假肢設(shè)計(jì)最先進(jìn)的技術(shù)是將神經(jīng)元傳導(dǎo)的生物電信號通過收集器轉(zhuǎn)化為機(jī)械可以識(shí)別的電信號，再通過機(jī)械操控假肢的移動(dòng)。由于神經(jīng)元傳導(dǎo)的生物電信號的復(fù)雜度高，導(dǎo)致現(xiàn)有此方面的研究仍處于探索階段，還不能應(yīng)用于人們的日常生活。

發(fā)明內(nèi)容

本實(shí)用新型的目的在于，提供一種基于PCI1020運(yùn)動(dòng)控制卡的假肢關(guān)節(jié)控制器。

為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本實(shí)用新型采取如下的技術(shù)解決方案：

一種基于PCI1020運(yùn)動(dòng)控制卡的假肢關(guān)節(jié)控制器，包括位于假肢中的步進(jìn)電機(jī)，其特征在于，還包括一個(gè)PCI1020運(yùn)動(dòng)控制卡，該P(yáng)CI1020運(yùn)動(dòng)控制卡連接有PC機(jī)，PCI1020運(yùn)動(dòng)控制卡通過驅(qū)動(dòng)器及接口連接步進(jìn)電機(jī)。

本實(shí)用新型的基于PCI1020運(yùn)動(dòng)控制卡的假肢關(guān)節(jié)控制器，越過復(fù)雜的神經(jīng)生物信號的處理和連接，采用純機(jī)械和電子信號檢測將人在活動(dòng)中大腿的動(dòng)作識(shí)別分析，并通過電機(jī)控制系統(tǒng)給動(dòng)力裝置發(fā)出命令，操控假肢“小腿”的運(yùn)動(dòng)，高仿真地模擬出人走路、跑步、上下樓梯等基本動(dòng)作的腿部正常的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，使實(shí)驗(yàn)者與正常人一樣可以自由的走動(dòng)，能夠根據(jù)已建立的運(yùn)動(dòng)模型實(shí)時(shí)有效的控制假肢步態(tài)行為。實(shí)驗(yàn)證明，關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度可在-70°～+15°范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，角度分辨率達(dá)到0.04度。

附圖說明

圖1是試驗(yàn)用假肢結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實(shí)用新型的基于PCI1020運(yùn)動(dòng)控制卡的假肢關(guān)節(jié)控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖；

圖3是基于PCI1020運(yùn)動(dòng)控制卡的假肢關(guān)節(jié)控制器的硬件接線圖；

圖4是通過控制的假肢運(yùn)動(dòng)狀態(tài)函數(shù)圖，其中，(a)圖是模擬大腿的運(yùn)動(dòng)函數(shù)，(b)圖是控制小腿的運(yùn)動(dòng)函數(shù)，(c)圖是大小腿運(yùn)動(dòng)函數(shù)關(guān)系。

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

具體實(shí)施方式

為滿足下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)模型研究的需要，申請人以人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)為研究對象，設(shè)計(jì)了分層式結(jié)構(gòu)的基于PCI1020運(yùn)動(dòng)控制卡的假肢關(guān)節(jié)控制器。包括位于假肢中的步進(jìn)電機(jī)，還包括一個(gè)PCI1020運(yùn)動(dòng)控制卡，該P(yáng)CI1020運(yùn)動(dòng)控制卡連接有PC機(jī)，PCI1020運(yùn)動(dòng)控制卡通過驅(qū)動(dòng)器及接口連接步進(jìn)電機(jī)(圖2)。

通過測試驗(yàn)證了該假肢關(guān)節(jié)控制器的合理與有效性。同時(shí)結(jié)構(gòu)簡單、步態(tài)逼真、成本低廉，具有較好的市場應(yīng)用前景。

以下是主要的制備過程。

1、整體構(gòu)架：

本實(shí)施例應(yīng)用自主設(shè)計(jì)的假肢(如圖1)作為被控對象。該假肢由大腿1、小腿2和腳3組成，結(jié)構(gòu)尺寸完全按照人體肢體比例等比縮小制作，即大腿1的長度0.212m，小腿2的長度0.254m，腳3的長度為0.143m，高度為0.039m，假肢中包含三個(gè)電機(jī)(圖中的標(biāo)號4)，分別位于大腿1的上方、大腿1和小腿2的連接處，小腿2和腳3的連接處。

PC機(jī)通過Lab?VIEW編寫的程序?qū)CI1020運(yùn)動(dòng)控制卡下達(dá)指令，并確定肢體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。PCI1020接受運(yùn)動(dòng)控制卡PC機(jī)的指令，并將指令轉(zhuǎn)換為協(xié)調(diào)步態(tài)的電機(jī)控制信號，進(jìn)而分解為驅(qū)動(dòng)多關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)鐘脈沖，發(fā)送給各個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接受驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘脈沖，完成對關(guān)節(jié)的控制，達(dá)到控制假肢運(yùn)動(dòng)的目的。

1.1.控制方式

人體假肢的控制系統(tǒng)需要進(jìn)行大量的協(xié)調(diào)計(jì)算和聯(lián)動(dòng)處理，控制大小腿的角度、角速度、角加速度等多種參量，并進(jìn)行聯(lián)調(diào)運(yùn)算，同時(shí)處理多個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，還需要一定的擴(kuò)展功能，因此選用PCI1020作為主控制器。PCI1020是基于PC總線的以MCX314As作為核心處理器和PCI9052作為通信芯片的開放式運(yùn)動(dòng)控制器，將PC機(jī)的信息處理能力和開放式的特點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)控制芯片的運(yùn)動(dòng)軌跡控制能力有機(jī)地結(jié)合在一起，具有信息處理能力強(qiáng)、開放程度高、運(yùn)動(dòng)軌跡控制準(zhǔn)確、通用性好等優(yōu)點(diǎn)，因此這種基于計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線的開放式運(yùn)動(dòng)控制器必將成為運(yùn)動(dòng)控制的主流器件。

MCX314As是單一芯片且可控制4軸的脈沖序列輸入伺服馬達(dá)、步進(jìn)馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)控制芯片，可以進(jìn)行各軸獨(dú)立的定位控制、速度控制，另一方面亦可在4軸中任意的選擇2軸或是3軸來進(jìn)行圓弧、直線、位方式插補(bǔ)。