CN107320223B - 下肢假肢自动对线方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种下肢假肢自动对线方法及装置，涉及假肢装配技术领域，该下肢假肢自动对线装置，包括：采集模块、分析控制模块和自动调整模块；分析控制模块与采集模块、自动调整模块分别通信连接；采集模块用于采集穿戴有下肢假肢的用户站立及行走过程中的生物力学数据；生物力学数据包括身体运动数据和足底压力数据；分析控制模块用于接收生物力学数据，并根据生物力学数据计算对线调整参数及生成控制指令；自动调整模块用于根据控制指令进行下肢假肢的对线调整。本发明节省人力，又不依赖于技师的经验，可广泛用于假肢装配。

Description

下肢假肢自动对线方法及装置

技术领域

本发明涉及假肢装配技术领域，尤其是涉及一种下肢假肢自动对线方法及装置。

背景技术

下肢假肢的对线是假肢装配中的重要环节，对线的好坏直接决定患者穿戴假肢的步态和舒适度。不合适的对线不仅影响步态，长时间使用还因受力不当造成截肢者其他身体部位的损伤。目前，假肢的临床装配过程中，对线主要靠假肢技师根据肉眼观察患者的步态以及患者描述的自身感受，凭经验调整对线，缺乏客观的评价依据，不同技师调整的结果相差较大。并且当肉眼调整人体动态对线时，走动过程中难以观察到各个平面的力矩，尽管一些对线使患者穿戴假肢后看起来步态很好，但关节的受力并不一定是最合适的，行走过程中需要消耗大量能量补偿假肢对线的偏差导致的不稳定。另外，整个装配过程中，患者需要多次调整对线才能达到满意的效果，消耗大量人力，且只能依赖专业技师完成。

针对现有技术中下肢假肢装配的对线依赖专业技师且对线效果不理想的问题，目前尚未提出有效解决方案。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种下肢假肢自动对线方法及装置，可以对下肢假肢装配中对线的自动调整，不依赖于专业技师

第一方面，本发明实施例提供了一种下肢假肢自动对线装置，包括：采集模块、分析控制模块和自动调整模块；分析控制模块与采集模块、自动调整模块分别通信连接；采集模块用于采集穿戴有下肢假肢的用户站立及行走过程中的生物力学数据；生物力学数据包括身体运动数据和足底压力数据；分析控制模块用于接收生物力学数据，并根据生物力学数据计算对线调整参数及生成控制指令；自动调整模块用于根据控制指令进行下肢假肢的对线调整。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，采集模块包括惯性传感器和压力传感器；惯性传感器包括多个，用于设置在用户的腰部和下肢；压力传感器用于设置在用户的足底。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，采集模块还包括信号采集器，信号采集器与惯性传感器和压力传感器均连接，用于接收惯性传感器和压力传感器的数据。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，分析控制模块包括力学分析单元和参数计算单元；力学分析单元用于根据生物力学数据计算运动数据；运动数据包括下肢各关节力、力矩、人体重心轨迹；参数计算单元用于根据运动数据计算对线调整参数并生成控制指令；参数计算单元预先根据标准化人体的生物力学数据和调整参数建立了自学习模型。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，自动调整模块包括调节机构和电机；调节机构的一端与电机连接，另一端与下肢假肢关节的调整部件连接。

结合第一方面的第四种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，电机用于接收控制指令，并根据控制指令旋转带动调整部件实现对线调整。

第二方面，本发明实施例还提供一种下肢假肢自动对线方法，应用于第一方面及其各可能的实施方式提供的下肢假肢自动对线装置，包括：分析控制模块接收采集模块采集的用户站立及行走过程中的生物力学数据；生物力学数据包括身体运动数据和足底压力数据；分析控制模块根据生物力学数据计算对线调整参数并生成控制指令；分析控制模块将控制指令发送至自动调整模块，以使自动调整模块根据控制指令进行下肢假肢的对线调整。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，分析控制模块根据生物力学数据计算对线调整参数并生成控制指令，包括：根据生物力学数据计算下肢各关节力、力矩以及重心轨迹并分别生成运动曲线；比较运动曲线与标准曲线的偏差；当偏差超出对线偏差范围时，计算对线调整参数并生成控制指令；当偏差未超出对线偏差范围时，结束对线调整。

结合第二方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第二方面的第二种可能的实施方式，其中，计算对线调整参数并生成控制指令，包括：将下肢各关节力、力矩以及重心轨迹输入自学习模型，以使自学习模型输出对线调整参数；根据对线调整参数生成控制命令。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第三种可能的实施方式，还包括：预先将标准化人体的生物力学数据和调整参数输入参数计算单元建立自学习模型。

本发明实施例带来了以下有益效果：本发明实施例提供的下肢假肢自动对线方法及装置，通过采集模块采集穿戴有下肢假肢的用户站立及行走过程中的生物力学数据，并根据生物力学数据计算对线调整参数及生成控制指令，进而自动调整模块根据该控制指令进行下肢假肢的对线调整，相比传统手工调整的方式不但节省人力，又不依赖于技师的经验，解决了现有假肢装配中对线过程繁琐、不同技师对线差异大、无客观评价标准的问题，可广泛用于假肢装配。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种下肢假肢自动对线装置的结构框图；

图2为本发明实施例提供的惯性传感器设置位置示意图；

图3为本发明实施例提供的压力传感器设置位置示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种下肢假肢自动对线装置的结构框图；

图5为本发明实施例提供的一种下肢假肢自动对线方法的流程图；

图6为本发明实施例提供的一种下肢假肢自动对线方法的流程图。

图标：

110-采集模块；120-分析控制模块；121-力学分析单元；122-参数计算单元；130-自动调整模块；201-惯性传感器；301-压力传感器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

穿戴假肢的用户在站立和行走时保持稳定的平衡和良好的步态，是装配假肢的重要目标，这个目标的实现离不开合适的假肢对线。目前下肢假肢的装配依赖于技师的经验，进行人工对线，存在对线过程繁琐、无客观评价标准的问题，基于此，本发明实施例提供的一种下肢假肢自动对线方法及装置，可以实现下肢假肢装配过程中对线的自动调整，相比传统手工调整的方式不但节省人力，又不依赖于技师的经验，具有生物力学最优的对线结果和客观定量的科学依据。为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种下肢假肢自动对线装置进行详细介绍。

实施例1

本发明实施例提供了一种下肢假肢自动对线装置，参见图1所示的下肢假肢自动对线装置的结构框图，包括：采集模块110、分析控制模块120和自动调整模块130。

其中分析控制模块120与采集模块110、自动调整模块130分别通信连接。具体地，采集模块110用于采集穿戴有下肢假肢的用户站立及行走过程中的生物力学数据；该生物力学数据包括身体运动数据和足底压力数据；该身体运动数据主要包括腰部和下肢部分的运动数据。分析控制模块120用于接收上述生物力学数据，并根据上述生物力学数据计算对线调整参数及生成控制指令。在生成控制指令后，分析控制模块120将控制指令发送给自动调整模块130，该自动调整模块130用于根据控制指令进行下肢假肢的对线调整。

在本实施例中，以采集模块包括多个惯性传感器和压力传感器为例进行说明，可以理解的是也可以通过其他方式采集穿戴有下肢假肢的用户的生物力学数据、例如其他种类的传感器或者体感摄像头等。在用户穿戴好下肢假肢后，可以试着站立、自由行走或者做出常用下肢动作，同时由惯性传感器和压力传感器进行数据采集。

为了更准确获得用户的生物力学数据，多个惯性传感器可以分别设置在用户的腰部和下肢，多个压力传感器设置在用户的足底。参见图2所示的惯性传感器设置位置示意图，在用户的腰部、两侧大腿、两侧小腿处共设置有5个惯性传感器201。参见图3所示的压力传感器设置位置示意图，以在每个足底均设置有3个压力传感器301为例，该3个压力传感器301分别分布在足底的前脚掌第一趾骨和第五趾骨以及足跟位置。

上述惯性传感器和压力传感器实时采集用户的运动数据，其中惯性传感器主要采集运动过程中的加速度和角速度，压力传感器采集运动过程中的压力。为了更好传递运动数据，在上述采集模块中包括信号采集器，信号采集器与惯性传感器和压力传感器均连接，用于接收惯性传感器和压力传感器的数据，并将上述数据发送给分析控制模块。

具体地，参见图4所示的下肢假肢自动对线装置的结构框图，上述分析控制模块，120包括力学分析单元121和参数计算单元122。力学分析单元121用于根据生物力学数据计算运动数据，该运动数据包括下肢各关节力、力矩、人体重心轨迹。参数计算单元122用于根据运动数据计算对线调整参数并生成控制指令；其中，参数计算单元预先根据标准化人体的生物力学数据和调整参数建立了自学习模型。

其中根据生物力学数据计算运动数据，具体是通过逆向动力学计算的方式进行。逆向动力学是指根据物体的运动表象，利用力学定律来求解使物体运动发生变化的动力表达。对于人体运动而言，即根据测量所得到的各种运动学数据来推算人体各关节的肌力矩或人体系统内、外部的约束力。根据生物力学数据计算包括下肢各关节力、力矩、人体重心轨迹等数据可以通过基于逆向动力学计算的软件进行。

在计算得到上述运动数据后，参数计算单元122根据运动数据计算对线调整参数并生成控制指令。

在参数计算单元122中已经预先根据标准化人体的生物力学数据和调整参数建立了自学习模型。该自学习模型经过已知生物力学数据和对应的调整参数进行训练，该已知生物力学数据为预先收集的假肢穿戴者的生物力学数据，该调整参数是用于上述假肢穿戴者按照该调整参数进行调整后，对线效果较好而收集的。上述自学习模型使用的算法可以是现有技术中适合的自学习算法，本实施例对此不作限定。假肢侧的合力作用线(假肢承重线)反映了假肢的受力和平衡，健肢侧的合力作用线(健肢承重线)反映了健肢的受力和平衡。用户的重力线则是健肢和假肢所受合力的作用线，是用户整体受力和平衡的反映。它取决于假肢承重线和健肢承重线的位置及假肢与健肢的承重分配比例。当自然站立时矢状面内身体重力线与双侧健肢承重线重合，整体平衡与下肢平衡一致时，认为取得了较好的对线效果。

在参数计算单元122根据运动数据计算对线调整参数后，结合用户穿戴假肢的当前状态，生成控制指令。该控制指令被发送至自动调整模块130，使其根据控制指令进行下肢假肢的对线调整。

在力学分析单元121根据生物力学数据计算得到运动数据后，还可以生成下肢各关节力、力矩、人体重心轨迹的运动曲线，并与标准曲线进行比较，可以分析下肢假肢各关节各方向对线存在的问题。经过上述比较，仅在当偏差超出对线偏差范围时，计算对线调整参数并生成控制指令；当偏差未超出对线偏差范围时，确定为不需要进行调整或者已经调整完毕，此时结束对线调整步骤。上述对线偏差范围可以根据医生经验进行设置，以保证在该偏差范围内对线效果较好为准。

上述自动调整模块130包括调节机构和电机，调节机构的一端与电机连接，另一端与下肢假肢关节的调整部件连接。当采集用户的生物力学数据完毕后，用户在穿戴有下肢假肢的状态下，靠近上述下肢假肢自动对线装置的自动调整模块。在下肢假肢上设置有多个关节的调整部件，该调整部件可以调节关节、肢体的相对位置和角度等，在用户靠近上述自动调整模块的情况下，将上述调节机构与上述调整部件连接。优选地，上述调节机构为刚性的连接件，在电机旋转带动下，可以带动关节的调整部件移动。

考虑到下肢假肢的复杂性，上述自动调整模块优选在腰部、膝盖、脚踝对应的高度设置多组调节机构和电机。上述电机可以是步进电机。自动调整模块利用分析控制模块发送的控制指令控制步进电机旋转，带动调节机构，调节机构带动下肢假肢关节的调整部件，实现对线自动调整。

本实施例提供的下肢假肢自动对线装置，通过采集模块采集穿戴有下肢假肢的用户站立及行走过程中的生物力学数据，并根据生物力学数据计算对线调整参数及生成控制指令，进而自动调整模块根据该控制指令进行下肢假肢的对线调整，相比传统手工调整的方式不但节省人力，又不依赖于技师的经验，解决了现有假肢装配中对线过程繁琐、不同技师对线差异大、无客观评价标准的问题，可广泛用于假肢装配。

实施例2

本发明实施例提供了一种下肢假肢自动对线方法，应用于上述实施例提供的下肢假肢自动对线装置，参见图5所示的下肢假肢自动对线方法的流程图，包括：

步骤S51，分析控制模块接收采集模块采集的用户站立及行走过程中的生物力学数据。

上述生物力学数据包括身体运动数据和足底压力数据。其中采集模块可以包括多个惯性传感器和压力传感器。在用户穿戴好下肢假肢后，可以试着站立、行走或者做出常用下肢动作，同时由惯性传感器和压力传感器进行数据采集。

步骤S52，分析控制模块根据生物力学数据计算对线调整参数并生成控制指令。

具体地，可以包括：根据生物力学数据计算运动数据，该运动数据包括下肢各关节力、力矩、人体重心轨迹；根据运动数据计算对线调整参数并生成控制指令；其中，参数计算单元预先根据标准化人体的生物力学数据和调整参数建立了自学习模型。该控制指令被发送至自动调整模块，使其根据控制指令进行下肢假肢的对线调整。

步骤S53，分析控制模块将控制指令发送至自动调整模块，以使自动调整模块根据控制指令进行下肢假肢的对线调整。

自动调整模块利用调分析控制模块发送的控制指令控制步进电机旋转，带动调节机构，调节机构带动下肢假肢关节的调整部件，实现对线自动调整。

本实施例提供的下肢假肢自动对线方法，通过采集模块采集穿戴有下肢假肢的用户站立及行走过程中的生物力学数据，并根据生物力学数据计算对线调整参数及生成控制指令，进而自动调整模块根据该控制指令进行下肢假肢的对线调整，相比传统手工调整的方式不但节省人力，又不依赖于技师的经验，具有生物力学最优的对线结果和客观定量的科学依据，解决了现有假肢装配中对线过程繁琐、不同技师对线差异大、无客观评价标准的问题，可广泛用于假肢装配机构。

上述步骤S52，分析控制模块根据生物力学数据计算对线调整参数并生成控制指令可以具体包括以下步骤：

(1)根据生物力学数据计算下肢各关节力、力矩以及重心轨迹并分别生成运动曲线；

(2)比较运动曲线与标准曲线的偏差；

(3)当偏差超出对线偏差范围时，计算对线调整参数并生成控制指令；当偏差未超出对线偏差范围时，结束对线调整。

在(3)中计算对线调整参数并生成控制指令的步骤包括：将下肢各关节力、力矩以及重心轨迹输入自学习模型，以使自学习模型输出对线调整参数；根据对线调整参数生成控制命令。

上述方法在进行自动对线之前还包括：预先将标准化人体的生物力学数据和调整参数输入参数计算单元建立自学习模型。

本发明实施例提供的下肢假肢自动对线方法，与上述实施例提供的下肢假肢自动对线装置具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

实施例3

本发明实施例提供了一种下肢假肢自动对线方法，应用于上述实施例提供的下肢假肢自动对线装置，参见图6所示的下肢假肢自动对线方法的流程图，包括：

步骤S61，输入标准化的人体下肢生物力学数据和假肢对线参数，并设置对线偏差范围值。

步骤S62，根据标准化的人体下肢生物力学数据和假肢对线参数建立自学习模型。

步骤S63，利用传感器采集人体站立及行走过程中的下肢运动和足底压力数据。

步骤S64，根据下肢运动和足底压力数据，计算生物力学结果。

其中，上述生物力学结果包括人体下肢各关节力和力矩，以及重心运动轨迹等变化曲线。

步骤S65，计算上述人体下肢各关节力和力矩，以及重心运动轨迹等变化曲线与标准曲线的差别。

步骤S66，判断变化曲线与标准曲线的差别是否大于对线偏差范围值。如果是，执行步骤S67；如果否，执行步骤S70。

当变化曲线与标准曲线偏差超过设置的对线偏差范围时，进行后续调整步骤，否则结束调整。

步骤S67，将上述生物力学计算结果输入自学习模型，自动计算出最优的对线调整控制策略。

步骤S68，根据上述对线调整控制策略生成控制指令。

步骤S69，根据上述控制指令控制步进电机带动调节机构进行对线调整。

考虑到一次调整不一定能够达到预期的对线效果，需要多次采集用户的数据进行多次调整，因此在上述对线调整的步骤后，继续执行步骤S63采集人体数据，并进行后续的计算和判断过程，直到计算得到的变化曲线与标准曲线偏差在设置的对线偏差范围内时，再结束调整。

步骤S70，结束调整。

本实施例提供的下肢假肢自动对线方法，可以采集穿戴有下肢假肢的用户站立及行走过程中的生物力学数据，并根据生物力学数据计算对线调整参数及生成控制指令，进而根据该控制指令进行下肢假肢的对线调整，相比传统手工调整的方式不但节省人力，又不依赖于技师的经验，具有生物力学最优的对线结果和客观定量的科学依据，解决了现有假肢装配中对线过程繁琐、不同技师对线差异大、无客观评价标准的问题，可广泛用于假肢装配机构。

本发明实施例所提供的下肢假肢自动对线方法及装置的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

上述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例的方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种下肢假肢自动对线装置，其特征在于，包括：采集模块、分析控制模块和自动调整模块；所述分析控制模块与所述采集模块、所述自动调整模块分别通信连接；

所述采集模块用于采集穿戴有下肢假肢的用户站立及行走过程中的生物力学数据；所述生物力学数据包括身体运动数据和足底压力数据；

所述分析控制模块用于接收所述生物力学数据，并根据所述生物力学数据计算对线调整参数及生成控制指令；

所述自动调整模块用于根据所述控制指令进行下肢假肢的对线调整；

所述采集模块包括惯性传感器和压力传感器；所述惯性传感器包括多个，用于设置在所述用户的腰部和下肢；所述压力传感器用于设置在所述用户的足底；

所述分析控制模块包括力学分析单元和参数计算单元；所述力学分析单元用于根据所述生物力学数据计算运动数据；所述运动数据包括下肢各关节力、力矩、人体重心轨迹；所述参数计算单元用于根据所述运动数据计算对线调整参数并生成所述控制指令；所述参数计算单元预先根据标准化人体的生物力学数据和调整参数建立了自学习模型。

2.根据权利要求1所述的下肢假肢自动对线装置，其特征在于，所述采集模块还包括信号采集器，所述信号采集器与所述惯性传感器和所述压力传感器均连接，用于接收所述惯性传感器和所述压力传感器的数据。

3.根据权利要求1所述的下肢假肢自动对线装置，其特征在于，所述自动调整模块包括调节机构和电机；所述调节机构的一端与所述电机连接，另一端与下肢假肢关节的调整部件连接。

4.根据权利要求3所述的下肢假肢自动对线装置，其特征在于，

所述电机用于接收所述控制指令，并根据所述控制指令旋转带动所述调整部件实现对线调整。

5.一种下肢假肢自动对线方法，其特征在于，应用于权利要求1-4任一项所述的下肢假肢自动对线装置，包括：

所述分析控制模块接收所述采集模块采集的用户站立及行走过程中的生物力学数据；所述生物力学数据包括身体运动数据和足底压力数据；

所述分析控制模块根据所述生物力学数据计算对线调整参数并生成控制指令；

所述分析控制模块将所述控制指令发送至所述自动调整模块，以使所述自动调整模块根据所述控制指令进行下肢假肢的对线调整；

所述分析控制模块根据所述生物力学数据计算对线调整参数并生成控制指令，包括：根据所述生物力学数据计算下肢各关节力、力矩以及重心轨迹并分别生成运动曲线；比较所述运动曲线与标准曲线的偏差；当所述偏差超出对线偏差范围时，计算对线调整参数并生成控制指令；当所述偏差未超出所述对线偏差范围时，结束对线调整；

所述计算对线调整参数并生成控制指令，包括：将所述下肢各关节力、所述力矩以及所述重心轨迹输入自学习模型，以使所述自学习模型输出对线调整参数；根据所述对线调整参数生成控制命令。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：

预先将标准化人体的生物力学数据和调整参数输入所述参数计算单元建立自学习模型。