阅读说明：本技术 一种智能仿生膝关节的数据采集装置 (Intelligent data acquisition device for bionic knee joint ) 是由 王子铜 李锋 于 2019-11-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种智能仿生膝关节的数据采集装置。该装置包括：电源管理单元、膝关节数据采集单元、数据分析处理单元、驱动单元、执行机构和膝关节状态反馈单元。通过一体化设计,将各个组成单元有机结合,协调工作,不仅能对小腿非规则运动进行感知,还能对使用者所处地面环境进行分析。本发明主要应用于仿生膝关节运动状态信息的采集,利用人体非规则运动感知技术,弥补传统膝关节数据采集装置需要安装外部设备,提前进行数据采集,从而不能实时采集分析数据的缺点。本发明公开的一种智能仿生膝关节的数据采集装置,具有电路结构简单、速度快、稳定性好、功耗低的优点。(The invention discloses a data acquisition device of an intelligent bionic knee joint. The device includes: the knee joint state feedback device comprises a power supply management unit, a knee joint data acquisition unit, a data analysis processing unit, a driving unit, an actuating mechanism and a knee joint state feedback unit. Through the integrated design, all the components are organically combined and coordinately operated, so that irregular movement of the crus can be sensed, and the ground environment where a user is located can be analyzed. The bionic knee joint data acquisition device is mainly applied to acquisition of bionic knee joint motion state information, and overcomes the defect that the traditional knee joint data acquisition device cannot acquire and analyze data in real time because external equipment needs to be installed and data acquisition is carried out in advance by utilizing a human body irregular motion sensing technology. The data acquisition device of the intelligent bionic knee joint has the advantages of simple circuit structure, high speed, good stability and low power consumption.)

一种智能仿生膝关节的数据采集装置

技术领域

本发明属于电路领域，特别涉及一种智能仿生膝关节的数据采集装置。

背景技术

由于战争，工伤，交通事故和自然灾害等频繁发生，膝盖截肢者的数量每年增加数万人。根据第二次全国残疾人抽样调查的数据显示，全国各类残疾人的总数为8296万人，占全国人口总数的6.34％，其中肢体残疾人数为2412万人，占29.07％，是残疾人中最大的群体。而中国康复医学会2006年统计的大腿截肢患者达到1725万，约占肢体残疾总人数的71.5％。随着经济的发展我国人民生活水平的提高，残疾人对于生活质量的要求也越来越迫切。而在当前的医疗水平下，尚不能达到残肢再生的地步，因此安装假肢就成为了截肢患者恢复行走能力，进行各种日常活动，重返社会正常工作生活的唯一方法。

膝关节是一种高度非线性、时变、强耦合的系统。作为下肢假肢最重要的部分，膝关节假肢要能够根据步态变化自动调节控制参数，保证关节在支撑期有较好的稳定性，在摆动期有较好的灵活性，所以对膝关节运动状态信息的采集，提出了很高的要求，需要实时的、低误差的采集仿生膝关节的运动数据，为后续数据处理提供良好基础。

本发明通过MPU6050六轴惯性单元实时采集膝关节的加速度导角速度信息，结合干簧管、碰触开关组成的反馈单元反馈的信息，实时计算出膝关节状态。具有电路结构简单、速度快、稳定性好、功耗低的优点。

发明内容

发明公开了一种智能仿生膝关节的数据采集装置，其目的是为了弥补传统膝关节数据采集装置需要安装外部设备，提前进行数据采集，从而不能实时采集分析数据的缺点。解决传统假肢数据采集电路复杂、稳定性差、功耗高等问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种智能仿生膝关节的数据采集装置，包括电源管理单元、膝关节数据采集单元、数据分析处理单元、驱动单元、执行机构和膝关节状态反馈单元。

电源管理单元含有LT1962EMS8-2.5电源管理芯片，负责给装置供电；膝关节数据采集单元使用六轴MPU6050惯性组件采集膝关节惯性数据，并传送给数据分析处理单元；数据分析处理单元采用nRF51822芯片作为总控模块，负责数据的处理、和控制指令的接收、执行；驱动单元包含H桥电路和稳压电路，H桥电路通过输出高低电平形成电压差来对电机的正反转进行控制，稳压电路负责稳定电机的电压；执行机构负责驱动电机转动；膝关节状态反馈单元即反馈电路，将触碰开关和干簧管的反馈信号传给nRF51822芯片。

与现有技术相此，本发明的有益效果是：

1)本发明提供了一种智能仿生膝关节的数据采集装置，利用一体化设计，将各个部分有机的结合在一起，简化了传统膝关节数据采集装置的设计思路，设计出的一种智能仿生膝关节的数据采集装置结构简单、稳定性好。

2)本发明提供了一种智能仿生膝关节的数据采集装置，通过MPU6050六轴惯性单元实时采集膝关节的加速度导角速度信息，结合干簧管、碰触开关组成的反馈单元反馈的信息，实时计算出膝关节状态，利用无反馈直流电机作为执行器件，电源管理模块降低装置能耗，使得整个装置执行速度更快，功耗更小，成本更低。

附图说明

图1为一种智能仿生膝关节的数据采集装置的结构示意图；

图2为一种智能仿生膝关节的数据采集装置的系统框图。

具体实施方式

本发明公开了一种智能仿生膝关节的数据采集装置，包括：电源管理单元、膝关节数据采集单元、数据分析处理单元、驱动单元、执行机构和膝关节状态反馈单元。

电源管理单元即电源电路(1-16)。电池(1-38)通过接口J7(1-39)，与系统各组件相连，为系统各组件提供电源；电源电路(1-16)，输入电压3.4V，通过LT1962EMS8-2.5电源管理芯片调控，输出2.5V电压，通过nRF51822芯片(1-7)引脚13(1-5)导芯片相连，用于芯片供电。

膝关节数据采集单元包括MPU6050六轴惯性信息感知组件和AD转换器。MPU6050惯性信息感知组件(1-16)包括：x轴陀螺仪(1-5)、y轴陀螺仪(1-6)、z轴陀螺仪(1-7)、x轴加速度计(1-1)、y轴加速度计(1-2)和z轴加速度计(1-3)。其中，x轴陀螺仪(1-5)、y轴陀螺仪(1-6)、z轴陀螺仪(1-7)构成了感知组件的陀螺仪分系统(1-8)；x轴加速度计(1-1)、y轴加速度计(1-2)和z轴加速度计(1-3)构成了感知组件的加速度计分系统(1-4)。加速度计分系统信号(1-9)和陀螺仪分系统信号(1-11)为模拟量信号，通过加速度信号处理模块(1-10)和角速度信号处理模块(1-12)，将其调整为能够直接输入AD转换器(1-13)的对应加速度计模拟信号(1-14)和陀螺仪模拟信号(1-15)。最后将输出的数字信号(1-17)传入nRF51822芯片(1-20)。

数据分析处理单元(1-18)包括nRF51822芯片(1-20)和程序烧录电路(1-19)。nRF51822芯片(1-18)负责数据的分析与处理；程序烧录电路(1-19)通过接口J5(1-21)导nRF51822芯片(1-20)引脚21、34(SWCLK、SWDIO接口)相连，用于将程序写入芯片。

驱动单元(1-24)包括H桥(1-25)电路、电机(1-26)和稳压电路(1-27)，H桥(1-25)电路输入端连接nRF51822芯片的p0.04、p0.12接口(1-28)，输出端通过接口J8(1-29)接电机输入引脚，用于控制电机(1-26)转动；稳压电路(1-27)接电机(1-26)输入引脚(1-30)，用于稳定电机电压，减小输出误差。

膝关节状态反馈单元(1-31)包括反馈电路(1-32)、干簧管(1-33)和碰触开关(1-34)，反馈电路(1-32)通过接口J1(1-35)、J2(1-36)与触碰开关(1-34)及干簧管(1-33)连接，将触碰开关(1-34)及干簧管(1-33)的状态信息从nRF51822芯片的p0.19、p0.18接口(1-37)反馈给nRF51822芯片，用于控制参数计算。J3、J4留以备用，以便添加更多功能。

本发明通过合理的器件选择和布局，能够弥补传统膝关节数据采集装置结构复杂、稳定性差等缺点。具有启动速度快，精度高，运行功耗小，整体成本低的优点。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。