CN101843497B - 一种穿戴型助力机器人足底压力分布信息采集处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种穿戴型助力机器人足底压力分布信息采集处理系统。由前端的足底压力分布信息采集装置与终端的信息处理单元两部分组成：所述的采集装置为分层结构的助力机器人柔性足，按生物力学在足底分布采集点，贴上柔性压力传感器。同时在传感器上下两侧贴上导力圈，使人体行走过程中各个相位的足底压力都能分布到所安装的传感器上。所述的信息处理单元，根据时序控制采集各个压力点的电压值，经过采集卡的A/D转换后，送到上位机处理单元，完成存储，分析与显示等功能后，为后续算法提供低冗余，高精度的人体足底压力分布信息。本系统可靠性高，成本低，在助力机器人领域与临床足疾研究领域有着较为重要的应用价值。

Description

一种穿戴型助力机器人足底压力分布信息采集处理系统

技术领域：

本发明涉及人体运动信息采集领域，可穿戴型助力机器人领域，更具体而言涉及一种可穿戴型助力机器人足底压力分布信息采集处理系统。

背景技术：

可穿戴型助力机器人是一种外骨骼助力装置，是一种可以让人穿戴的人机一体化机械装置，它将人类的智力与机器的动力结合在一起，让机器来感知人类运动的意图，从而通过机器提供动力，为穿戴者提供诸如运动助力，保护，身体支撑等功能。在军事，救灾，以及医学上的助老助残领域中都有着极其广泛的应用前景。可穿戴型助力机器人是根据人体运动信息来提供动力援助的，是以人为中心，所以说如何获取人体运动意图信息成了此装置的关键所在。而当人体运动时足是唯一与外界直接接触的人体部位。足部受力的大小和方向，足底皮肤触觉信息的反馈，对人体运动以及平衡控制产生巨大的影响。因此可以通过测量人体运动时足底压力分布信息，以此来获取人体运动意图信息，从而控制助力机器人的运动步态符合使用者步态特征，让使用者穿戴起来更加自然，舒适。

目前助力机器人的人体运动信息采集有采用简单压力开关方式，如中国专利CN101336848，此专利只能测量人体足底压力某个特定的阈值，而无法采集到人体运动中各个步态完整的足底压力分布信息，从而很难划分人体运动的步态相位，有采用肌电传感信息的，如日本的HAL系列，但此装置存在固定麻烦，穿脱不易的缺点，尤其它可靠性不高，存在多次测量不一致性，以及不同使用者的身体状况差异都会影响系统实际运行效果。而现有的足底压力采集系统在应用到助力机器人信息采集中也有不同的局限性，如专利CN2540911，使用应变片为传感元件，对两传感点之间的距离有限制，不适合助力机器人控制信息的采集。专利CN101520355，压力测量点不能根据需要随时进行调整，如此采集会产生许多冗余信息，进而影响后续的控制算法。

发明内容：

为了克服现有助力机器人控制信息采集的不足，本发明提供一种轻巧廉价的穿戴型助力机器人足底压力分布信息采集处理系统，解决了现有助力机器人信息采集方案中，使用不便，可靠性低，精度低的问题，解决了现有足底压力测量系统不适合助力机器人足底压力控制反馈信号采集的问题。本发明通过采集人体运动时足底压力分布信息，为后续控制算法划分人体运动步态相位提供低冗余，高精度的数据信息。

本发明的技术方案是：

一种穿戴型助力机器人足底压力分布信息采集处理系统，由助力机器人左右足的足底压力分布信息采集装置与信息传输处理单元两部分组成。

1)信号采集装置：包括分层结构的助力机器人柔性足部和由分布于助力机器人柔性足部的压力信号采集点构成的压力信号传感单元。其中所述的分层结构由上中下三层构成，最下层为足型橡胶层，以此在助力机器人行走时，增大摩擦，并且减缓人体，以及机器与地面的冲击力，起到缓冲的作用。中间一层，由后半部分刚性板与前半部分的柔性橡胶组成，后半部分的刚性板提供对助力机器人的支撑作用，前半部分的柔性橡胶使其符合人体足部特征，让使用者穿戴助力机器人行走时，感觉更加自然，舒适。最上层采用柔性橡胶，以此来保护压力传感器。考虑到若采用螺钉固定方式会使足底压力分布到固定螺钉上，从而破坏人体行走时足底压力分布信息，于是整个三层结构采用缝线方式结合在一起，侧边利用搭扣与人体足部进行固定。

其中所述的由分布于助力机器人柔性足部的压力信号采集点构成的压力信号传感单元，根据助力机器人行走中人体步态相位划分的需要，分布多点的传感器。在传感器上下两侧贴上导力圈，以此让人体行走时的压力按照后续算法要求全部导到所分布的传感器上。同时导力圈还能起到缓冲，保护传感器的作用。其中所述的导力圈为上下两层柔性橡胶，能够让使用者足底压力均匀且完全传导到所贴传感单元位置，以此减少冗余信息。

2)信号处理单元：包括一多路信号调理电路，包括一信号采集单元，包括一上位机控制处理单元。其中所述的调理电路，包括对多路压力采集信号的增益，保持，提供电流信号转换为电压信号的功能，为后续的信号采集处理单元提供合适的电压信号。采用低温漂，高精度的贴片式运放与电阻，不仅减少了调理电路板的尺寸，更是提高了电流信号转化为电压信号的精度，减少了周围环境对其干扰。在传感单元与电路板之间，可采用多芯的屏蔽线连接，外来的干扰信号可被屏蔽层导入大地，避免干扰信号进入导体，同时降低传输信号的损耗。

其中所述的信号采集单元，包括进行多路的A/D转换，按时序控制对所采集的模拟信号进行转换，为上位机提供低冗余，高精度的数字控制信号。A/D转换单元可以是采用集成的采集卡，采集卡模拟输入端端口数须大于两足的传感点数量，也可以通过加装多路复用器，此时采集卡模拟输入端可以随之减少。其中所述的上位机控制处理单元可采用的方案有多种选择，可以采用微处理MCU，可编程控制器PLC，数字信号处理器DSP，工控机，但是上述这些必须满足传感器与采集卡的工作参数要求。

器件的选型：

传感器是足底压力采集系统中重要的采集元件，传感器的选择关系到压力数据的准确性。系统的测量量程指标取决于体重，步行速度以及传感器的安装位置，在大多数情况下，力值分布于0～10kg之间，因此，传感器的测量量程须大于10kg，线性误差小于3％。本发明中，传感元件的选择除了要满足测量量程，测量精度，分辨率等指标要求外，还要满足重复性好，性能稳定，系统轻便小巧，不妨碍人体步行运动，不改变足底压力的自然分布状态等要求。可以选用flexiforce A201，B201，ps-01，ps-02，ps-03系列，fsr-400，fsr-402，fsr-406，fsr-408等。

采集卡的选用上须考虑其通道数，采样率，分辨率等工作参数指标。若不使用多路复选器，通道数须大于等于24路，若选用多路复用器，通道数可以相应的减少。采样率大于50kS/s，分辨率大于12-bit即可。可以选用的采集卡有研华的PCI-17176，PCI-1747U，PCI-1720，PCI-1724U，PCI-1751，凌华的PCI-9820，PCI-9118，PCI-9112，NI的PCI-6220，PCI-6221，PCI-6250，阿尔泰的PCI8053，PCI8664，PCI8622，PCI8606等

中央信息处理单元可采用的方案有多种选择，可以采用微处理MCU，可编程控制器PLC，数字信号处理器DSP，工控机，但是上述这些必须满足传感器与采集卡的工作参数要求。可采用ST的STR7xx系列，STR9xx系列，STM32系列，Freescale的MC68HC系列，Nxp的LPC21xx系列，TI的MP430系列，ATMEL的AT91SAM9系列，AVR ATMAGE系列，西门子工控机647B，IPC547C，研华的IPC-610MB，研华的IPC-610，研祥的IPC-810A等。

数据存储器，要求存储量应大于等于1G，可以选择固化在电路板上的存储芯片，为了读取方便，也可以选择闪存卡，例如：SmartMedia(SM卡)、CompactFlash(CF卡)、MultiMediaCard(MMC卡)、Secure Digital(SD卡)、MiniSD卡、MacroSD卡，Memory Stick(记忆棒)、XD-Picture Card(XD卡)和微硬盘(MICRODRIVE)。

本发明的有益效果如下：

本发明为了针对目前助力机器人控制信息采集的需要，克服已有技术的不足，提出了一种以足底压力分布为控制信号的助力机器人足底压力信息采集处理系统，配合相应的采集电路，可以实时的测量使用者足底压力分布信息

本发明的足底三层分层结构在提供对上层机械的支持力同时，还有助于减缓机器与地面的冲击力，以及减缓人体与机器间的冲击力。并且能够在保护使用者的同时，保护传感单元不被损坏。分层结构采用柔性前脚掌的设计，使其符合人体足部自然构造，让使用者穿戴其行走时更舒适，自然。

为了满足对于不同使用者测量一致性的要求，本发明根据生物力学对传感单元的数量与安装位置进行分布，特别是加入了导力圈的设计，使得人体在行走过程中各个步态相位中的足底压力都能分布到所安装的传感单元上。从而在使用上可以忽略不同使用者的脚型尺码大小，使其适用于不同使用者。并且能够减少冗余信息，简化控制算法，提高系统的可靠性与精确性。

本发明可以用于穿戴型助力机器人控制信号采集系统中，本发明可以最大限度的减少冗余信息，从而减少系统在信息处理时的开销，同时还能提高信息的准确性与实时性，从而增强系统的可靠性。另外本发明还能为临床足疾患者和特殊人群的足底压力测量和步态特征分析提供技术支持，为足疾的功能康复，疗效评定和手术后效果鉴定提供客观评价。本发明在助力机器人领域与临床足疾研究领域有着较为重要的应用价值。

附图说明：

图1为本发明的系统结构示意图

图2为本发明的柔性足部分层结构示意图

图3为本发明的足底压力传感器分布示意图

图4为本发明的信号调理电路示意图

图5上本发明的上位机处理软件流程示意图

具体实施方式：

下面结合附图对本发明，一种穿戴型助力机器人足底压力分布信息采集处理系统进行详细描述。

本发明提出一种穿戴型助力机器人足底压力分布信息采集处理系统，用于采集使用者足底与助力器人足之间的作用力，经过特定的采集电路单元为助力机器人步态相位控制提供低冗余，高精度的控制信号。

本发明的系统结构如图1所示，由前端的足底压力分布信息采集装置109与终端的信号处理单元110两部分组成。101，102为多点传感单元，采用柔性压力传感器，按照生物力学对采集点进行分布，。当使用者行走时，足底压力分布随着步态相位的变化而发生变化时，压力信号经过多路信号调理电路104的转换，保持传送到上位机。各器件要用多芯屏蔽线103进行连接，防止信号干扰，减少误差。107为上位机控制单元，上位机控制单元通过特定时序来控制多路信号采集单元105进行A/D转换106，然后上位机软件通过标定好的程序计算传感点的压力大小，进而对所得数据进行分析，同时完成存储显示108的功能。

助力机器人的柔性足部分层结构如图2所示，底层201为柔性橡胶，起到减缓机器与地面冲击力，保护机器的作用。204为快速式搭扣，起到固定机器人柔性足部与人体的作用。中层202由后脚掌的刚性钢板与前脚掌的柔性橡胶通过小号螺钉207连接，刚性钢板起到支持机器的作用，柔性前脚掌使机器人足部贴合人体足部的构造，穿戴更加自然，舒适。考虑到若传感采集点分布于底层，所测得的压力分布为人与机器的总和，不符合人体自然行走的压力分布。故传感采集点须分布于中层。旋转固定点206连接助力器人的小腿部分，U型槽205提供一定的旋转自由度，起到限位保护的作用。上层203为柔性橡胶，起到减缓人与机器之间冲击力，保护传感器的作用。考虑到若三层用螺钉等刚性连接，人体行走时的压力会分布到刚性连接点上，破坏人体自然行走时的压力分布，故三层采用缝线208连接的方式。

足底压力采集点如图3所示。在人体的解剖学上，人脚可以划分若干个解剖区域。人在步行，站立等运动中，这些解剖区域支撑着人体大部分重量，并调节着人体的平衡。测量相应区域的压力变化就能划分出人体行走时的步态相位，达到助力机器人的控制目的。按照生物力学，可以在助力机器人足底安装6-12个压力信号采集点。具体分布位置可以选用如图3所示中1-大脚趾，2-第2～3趾，3-第4～5趾，4-第1趾骨头，5-第2趾骨头，6-第3～4趾骨头，7-第5趾骨头，8-脚弓外侧A，9-脚弓外侧B，10-脚后跟外侧，11-脚后跟内侧，12-脚后跟末端。可以根据实际划分的需要，采集点可以相应的增加或者减少，但是实际采集点必须多余6个，否则无法反应出完整的足底压力分布信息，最好也不要多余12个点，越多的采集点，产生的冗余信息也越多，会增加后续控制算法的复杂度。

信号调理电路如图4所示。其中R1为柔性压力传感单元，其满载阻值大于等于10kΩ。R2选用10kΩ的贴片电阻，集成运算放大器可以选择为lm324，参考电压VREF设为2.5V，lm324的供电电压为5V。根据集成运放公式计算得到输出电压

从上述公式可见，电压输出值在0～2.5V之间，符合采集卡的输入电压参数。

参考图5，本发明的信息采集处理算法如下：

在步骤S501中，采集程序开始运行

在步骤S502中，系统初始化，初始化i＝0，i为采集卡通道的标记，左右足各有12个采集点，所以总共需要询问24路通道，记为0～23。

在步骤S503中，计数器选择采集卡的通道i.即从通道0开始读取传感点的电压值。

在步骤S504中，系统启动A/D转换

在步骤S505中，数据经过A/D转换后存入存储器中

在步骤S506中，中央处理单元判断i是否为24，如果i未到24，继续采集下一个通道，并再次启动A/D转换。如果i已经为24，表明0～23总共24个传感点已经扫描采集，转换存储完毕。

在步骤S507中，系统将所采集到的数据进行显示并加以分析。

在步骤S508中，一轮采集完毕。系统可以按照需要进行循环的采集。

Claims (2)

1.一种穿戴型助力机器人足底压力分布信息采集处理系统，由助力机器人左右足的足底压力分布信息采集装置与信息传输处理单元两部分组成；所述足底压力分布信息采集装置包括助力机器人柔性足部和由分布于助力机器人柔性足部的压力信号采集点构成的压力信号传感单元；所述信息传输处理单元包括信号调理电路、信号采集单元和上位机控制处理单元，其特征在于所述助力机器人柔性足部为分层结构的助力机器人柔性足部，其由上、中、下三层构成，最下层为足型橡胶层，中间层，由后半部分刚性板与前半部分的柔性橡胶组成，最上层采用柔性橡胶，整个三层结构采用缝线方式结合在一起，侧边利用搭扣与人体足部进行固定。

2.根据权利要求1所述的穿戴型助力机器人足底压力分布信息采集处理系统，其特征在于所述中间层的后半部分刚性板与前半部分的柔性橡胶通过螺钉连接。

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