CN105662419A - 一种用于外骨骼控制的足底压力测量装置及方法 - Google Patents

一种用于外骨骼控制的足底压力测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于外骨骼控制的足底压力测量装置及方法，装置包括测量装置压力鞋，所述的测量装置压力鞋的内部对应跖骨和距骨的位置分别设置有四片压力传感器（202），所述的压力传感器（202）产生微弱电信号，中央处理器对所述微弱电压信号进行采集并进行处理；对应不同模式下对不同压力传感器数据采用不同权值的方法测量外骨骼足底压力。本发明利用足底的四片薄膜压力传感器采集外骨骼足底主要受力部位的压力，避免了使用大量的传感器，结构简单，成本低；对穿戴者穿上外骨骼站立和行走时的不同模式进行划分，针对不同的模式下对数据进行不同的处理，算法简单，避免了使用大量传感器时对数据的复杂处理，提高了对数据的处理速度。

Description

一种用于外骨骼控制的足底压力测量装置及方法
技术领域
本发明涉及一种用于外骨骼控制的足底压力测量装置及方法。
背景技术
随着机器人技术的不断发展，机器人变得越来越智能，外骨骼机器人是一种能为人类提供强大“体力”的高度智能装备，在康复医疗领域，外骨骼机器人能帮助截瘫患者进行行走训练，延缓肌肉萎缩，通过训练康复，外骨骼能帮助患者像正常人一样行走，给截瘫患者带来了极大的便利，让他们重新站立起来。其他方面，外骨骼也有广阔的应用前景，例如消防、抗震救灾等。外骨骼足部是外骨骼与环境交互的载体，足底压力能反映外骨骼系统的运行状态，通过测量外骨骼双脚的足底压力，结合零力矩方法可以解算出外骨骼的重心位置及变化情况，还可以根据足底压力的大小及其变化情况识别出外骨骼的当前运动状态，综上所述，足底压力大小情况能为外骨骼控制提供重要的参考信息，因此，准确测量出能满足外骨骼控制需求的足底压力数据十分重要，本发明旨在提供一种用于外骨骼控制的足底压力测量装置及测量方法。
在本领域中，已公开的专利号为CN2540911Y的名为“平板式足底压力分布测量装置”的专利，该装置由200个微型压力传感器构成传感器阵列，传感器微弱信号经放大后送给计算机处理，计算机对传感器的数据进行循环处理，然后将数据存入硬盘；该装置主要用于检测糖尿病人足底压力分布情况，该装置测量快速方便、精度高，能预测糖尿病足的发生。但是，该专利也有一些不足之处：（1）传感器阵列采用200个压力传感器组成，数据处理量大，采样率较低；（2）该装置为平板式，体积大，相对笨重，穿戴不方便，不适合用于采集外骨骼机器人足底压力来作为实时控制信息。
外骨骼机器人足底压力鞋采用橡胶和金属联合制成，由于橡胶传导压力的非线性，使压力传感器的受压环境变得很复杂，当穿戴者穿上外骨骼站立或者行走时，足底各个部分的压力变化也是非线性的。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于外骨骼控制的足底压力测量装置及方法，在外骨骼机器人足底主要受力位置铺设四片薄膜压力传感器，用于采集外骨骼足底主要受力位置的压力，然后对数据进行处理；同时对穿戴者穿上外骨骼站立和行走过程中的不同模式进行划分，将静止站立模式细分为双脚支撑、左脚支撑和右脚支撑模式；将行走模式细分为迈左腿行走和迈右腿行走模式，针对不同的模式对传感器数据进行不同的处理从而实现用尽可能少的压力传感器测量出能满足外骨骼控制需求的足底压力值。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于外骨骼控制的足底压力测量装置，包括测量装置压力鞋，所述的测量装置压力鞋的内部对应跖骨和距骨的位置分别设置有四片压力传感器，所述的压力传感器产生微弱电信号，中央处理器对所述微弱电压信号进行采集并进行处理；所述处理包括利用零力矩点解算出外骨骼的重心位置及变化情况，然后将外骨骼站立和行走时所处的不同模式进行划分：将静止站立模式细分为双脚支撑、左脚支撑和右脚支撑模式；将行走模式细分为迈左腿行走和迈右腿行走模式；对应不同模式下对不同压力传感器数据采用不同权值的方法测量外骨骼足底压力。
所述测量装置压力鞋从下到上依次为底层、中间层和顶层，其中中间层和底层分别由不同材质的橡胶制成，中间层的橡胶相对底层较硬，中间层为台阶形，前半部分高，后半部分低，后半部分用于和顶层配合；底层相对中间层较软，顶层的后半部分为金属，前半部分为中间层的突起部分，顶层外侧边缘有固定装置，用于将压力鞋固定在外骨骼小腿上支撑整个外骨骼；压力传感器嵌入在中间层和底层接触的一面，压力传感器上面垫有导压垫圈。
所述的压力传感器由四层构成，从上到下依次为背胶层、基材层、隔离膜、基材层。
所述的压力传感器与电阻R1串联接入电路中，电阻R1的另一端接地，压力传感器的另一端与+5V连接，压力传感器与电阻R1的公共连接点输出信号，压力传感器类似滑动变阻，当压力较小时，电阻较大，输出电压信号若，当压力增大时，电阻变小，输出电压信号增强；通过对应压力下电阻、电压信号的变化实现测量压力的大小。
所述的中央处理器和压力传感器之间设置有四通道放大器，放大器将四路压力传感器输出的电压信号比较放大后传给中央处理器处理。
采用所述的一种用于外骨骼控制的足底压力测量装置的方法，包括以下子步骤：
S1：上电系统启动，压力传感器先采样N次，求得压力传感器的零偏，并在以后的数据中消去压力传感器零偏值；
S2：分别求出左脚四个压力传感器的总合F1和右脚四个压力传感器的总和F2：如果在一定时间S内，F1和F2的波动超过了设定的阈值F，则判别当前外骨骼处于模式1：行走模式；如果F1和F2的波动没有超过设定的阈值F，则判别外骨骼当前处于模式2：站立模式；
当判断处于在行走模式中时，进一步进行判断：
（1）如果F1的值大于F2，则外骨骼当前处于模式1.1：迈右脚模式；
（2）如果F1的值小于F2，则外骨骼当前处于模式1.2：迈左脚模式；
当判断处于在站立模式中时，进一步进行判断：
（1）如果F1与F2的值相等，则外骨骼当前处于模式2.1：双脚站立支撑模式，此时，对四个压力传感器所测得的值通过加权和滤波来准确测量此时外骨骼足底压力；
（2）如果F1的值大于F2，则外骨骼当前处于模式2.2：左脚站立支撑模式，此时，对四个压力传感器所测得的值通过加权和滤波来准确测量此时外骨骼足底压力；
（3）如果F1的值小于F2，则外骨骼当前处于模式2.3：右脚站立支撑模式，此时，对四个压力传感器所测得的值通过加权和滤波来准确测量此时外骨骼足底压力。
本发明的有益效果是：本发明提供一种用于外骨骼控制的足底压力测量装置及测量方法，利用足底的四片薄膜压力传感器采集外骨骼足底主要受力部位的压力，避免了使用大量的传感器，结构简单，成本低；对穿戴者穿上外骨骼站立和行走时的不同模式进行划分，针对不同的模式下对数据进行不同的处理，算法简单，避免了使用大量传感器时对数据的复杂处理，提高了对数据的处理速度。
附图说明
图1是测量装置压力鞋的剖视图；
图2本发明压力传感器的分布示意图；
图3是本发明压力传感器电路结构示意图；
图4是本发明方法流程图；
图中，101-顶层，102-中间层，103-底层，201-导压垫圈，202-压力传感器。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案：
一种用于外骨骼控制的足底压力测量装置，包括测量装置压力鞋，所述的测量装置压力鞋的内部对应跖骨和距骨的位置分别设置有四片压力传感器202，所述的压力传感器202产生微弱电信号，中央处理器对所述微弱电压信号进行采集并进行处理；所述处理包括利用零力矩点解算出外骨骼的重心位置及变化情况，然后将外骨骼站立和行走时所处的不同模式进行划分：将静止站立模式细分为双脚支撑、左脚支撑和右脚支撑模式；将行走模式细分为迈左腿行走和迈右腿行走模式；对应不同模式下对不同压力传感器数据采用不同权值的方法测量外骨骼足底压力。
如图1所示，所述测量装置压力鞋从下到上依次为底层103、中间层102和顶层101，其中中间层102和底层103分别由不同材质的橡胶制成，中间层102的橡胶相对底层103较硬，便于使测试者与外骨骼的压力均匀的传导致压力传感器；中间层102为台阶形，前半部分高，后半部分低，后半部分用于和顶层101配合；底层103相对中间层102较软，能减小外骨骼行走时足部与地面的冲击，改善穿戴者的舒适感；顶层101的后半部分为金属，前半部分为中间层102的突起部分，顶层101外侧边缘有固定装置，用于将压力鞋固定在外骨骼小腿上支撑整个外骨骼；压力传感器202嵌入在中间层102和底层103接触的一面，压力传感器202上面垫有导压垫圈201，使压力传感器202能更好的采集足底主要部位的压力。
图2是本发明压力传感器202分布示意图，4片压力传感器202分别铺设在跖骨和距骨对应位置下面，如图所示四个传感器左右对称分布，逆时针方向依次为0号、1号、2号和3号。本装置所使用的传感器为FSR402型压力传感器，该传感器由四层构成，从上到下依次为背胶层、基材层、隔离膜、基材层；该传感器圆头直径为18.3mm，传感部分面积为14.68mm,常规厚度为0.48mm，工作温度为-30～70度，力灵敏度范围为0.2～20N，可以扩展至10KG；该传感器可连续输出电阻的变化，进而转换成输出电压信号的连续变化，能够连续测量足底压力的变化值大小。
如图3所示，所述的压力传感器202与电阻R1串联接入电路中，电阻R1的另一端接地，压力传感器202的另一端与+5V连接，压力传感器202与电阻R1的公共连接点输出信号，压力传感器202类似滑动变阻，当压力较小时，电阻较大，输出电压信号若，当压力增大时，电阻变小，输出电压信号增强；通过对应压力下电阻、电压信号的变化实现测量压力的大小。
所述的中央处理器和压力传感器202之间设置有四通道放大器，本实施例所用MCP6004为四通道放大器，同时将四路压力传感器输出的电压信号比较放大后传给中央处理器处理，由于能同时对四路压力传感器的数据进行处理，而不是采用轮询的方式，从而提高了压力传感器数据信息的采样速率。
图4是本发明模式判别程序流程图，穿戴者穿上外骨骼的行走过程可以被视为是迈右脚——双脚支撑——迈左脚——双脚支撑——迈右脚的循环过程，或者是迈左脚——双脚支撑——迈右脚——双脚支撑——迈左脚的循环过程，在行走和站立过程中，只有穿戴者和外骨骼的重心位置在双脚之间，外骨骼才不会倒，只有在此基础上，外骨骼才能完成一系列动作。准确测量出满足需求的外骨骼足底压力，然后利用零力矩点方法解算出外骨骼的重心位置及变化情况，保证重心位置在双脚之间变动才能保证外骨骼不会倒，进而为在行走过程中外骨骼根据穿戴者的习惯不同动态改变步长、步高、步速等奠定基础，因此准确测量出满足外骨骼控制需求的足底压力值非常重要，在本专利中，基于四片薄膜压力传感器，采用分模式的数据处理方法能准确的测量出外骨骼足底压力数据，能很好的满足外骨骼控制对足底压力的需求，其具体步骤和方法如下：
S1：上电系统启动，压力传感器202先采样N次，求得压力传感器202的零偏，并在以后的数据中消去压力传感器202零偏值；
S2：分别求出左脚四个压力传感器202的总合F1和右脚四个压力传感器202的总和F2：如果在一定时间S内，F1和F2的波动超过了设定的阈值F，则判别当前外骨骼处于模式1：行走模式；如果F1和F2的波动没有超过设定的阈值F，则判别外骨骼当前处于模式2：站立模式；
当判断处于在行走模式中时，进一步进行判断：
（1）如果F1的值大于F2，则外骨骼当前处于模式1.1：迈右脚模式；
（2）如果F1的值小于F2，则外骨骼当前处于模式1.2：迈左脚模式；
当判断处于在站立模式中时，进一步进行判断：
（1）如果F1与F2的值相等，则外骨骼当前处于模式2.1：双脚站立支撑模式，此时，对四个压力传感器202所测得的值通过加权和滤波来准确测量此时外骨骼足底压力；
（2）如果F1的值大于F2，则外骨骼当前处于模式2.2：左脚站立支撑模式，此时，对四个压力传感器202所测得的值通过加权和滤波来准确测量此时外骨骼足底压力；
（3）如果F1的值小于F2，则外骨骼当前处于模式2.3：右脚站立支撑模式，此时，对四个压力传感器202所测得的值通过加权和滤波来准确测量此时外骨骼足底压力。
以上通过对外骨骼所处的不同模式进行详细划分，分别对应不同模式下对不同压力传感器202数据采用不同权值的方法测量外骨骼足底压力，该方法取得了很好的效果，能为外骨骼控制提供准确的足底压力信息。

Claims (6)

1.一种用于外骨骼控制的足底压力测量装置，包括测量装置压力鞋，其特征在于：所述的测量装置压力鞋的内部对应跖骨和距骨的位置分别设置有四片压力传感器（202），所述的压力传感器（202）产生微弱电信号，中央处理器对所述微弱电压信号进行采集并进行处理；所述处理包括利用零力矩点解算出外骨骼的重心位置及变化情况，然后将外骨骼站立和行走时所处的不同模式进行划分：将静止站立模式细分为双脚支撑、左脚支撑和右脚支撑模式；将行走模式细分为迈左腿行走和迈右腿行走模式；对应不同模式下对不同压力传感器数据采用不同权值的方法测量外骨骼足底压力。
2.根据权利要求1所述的一种用于外骨骼控制的足底压力测量装置，其特征在于：所述测量装置压力鞋从下到上依次为底层（103）、中间层（102）和顶层（101），其中中间层（102）和底层（103）分别由不同材质的橡胶制成，中间层（102）的橡胶相对底层（103）较硬，中间层（102）为台阶形，前半部分高，后半部分低，后半部分用于和顶层（101）配合；底层（103）相对中间层（102）较软，顶层（101）的后半部分为金属，前半部分为中间层（102）的突起部分，顶层（101）外侧边缘有固定装置，用于将压力鞋固定在外骨骼小腿上支撑整个外骨骼；压力传感器（202）嵌入在中间层（102）和底层（103）接触的一面，压力传感器（202）上面垫有导压垫圈（201）。
3.根据权利要求1所述的一种用于外骨骼控制的足底压力测量装置，其特征在于：所述的压力传感器（202）由四层构成，从上到下依次为背胶层、基材层、隔离膜、基材层。
4.根据权利要求1所述的一种用于外骨骼控制的足底压力测量装置，其特征在于：所述的压力传感器（202）与电阻R1串联接入电路中，电阻R1的另一端接地，压力传感器（202）的另一端与+5V连接，压力传感器（202）与电阻R1的公共连接点输出信号，压力传感器（202）类似滑动变阻，当压力较小时，电阻较大，输出电压信号若，当压力增大时，电阻变小，输出电压信号增强；通过对应压力下电阻、电压信号的变化实现测量压力的大小。
5.根据权利要求1所述的一种用于外骨骼控制的足底压力测量装置，其特征在于：所述的中央处理器和压力传感器（202）之间设置有四通道放大器，放大器将四路压力传感器输出的电压信号比较放大后传给中央处理器处理。
6.如权利要求1~5中任意一项所述的一种用于外骨骼控制的足底压力测量装置的方法，其特征在于：包括以下子步骤：
S1：上电系统启动，压力传感器（202）先采样N次，求得压力传感器（202）的零偏，并在以后的数据中消去压力传感器（202）零偏值；
S2：分别求出左脚四个压力传感器（202）的总合F1和右脚四个压力传感器（202）的总和F2：如果在一定时间S内，F1和F2的波动超过了设定的阈值F，则判别当前外骨骼处于模式1：行走模式；如果F1和F2的波动没有超过设定的阈值F，则判别外骨骼当前处于模式2：站立模式；
当判断处于在行走模式中时，进一步进行判断：
（1）如果F1的值大于F2，则外骨骼当前处于模式1.1：迈右脚模式；
（2）如果F1的值小于F2，则外骨骼当前处于模式1.2：迈左脚模式；
当判断处于在站立模式中时，进一步进行判断：
（1）如果F1与F2的值相等，则外骨骼当前处于模式2.1：双脚站立支撑模式，此时，对四个压力传感器（202）所测得的值通过加权和滤波来准确测量此时外骨骼足底压力；
（2）如果F1的值大于F2，则外骨骼当前处于模式2.2：左脚站立支撑模式，此时，对四个压力传感器（202）所测得的值通过加权和滤波来准确测量此时外骨骼足底压力；
（3）如果F1的值小于F2，则外骨骼当前处于模式2.3：右脚站立支撑模式，此时，对四个压力传感器（202）所测得的值通过加权和滤波来准确测量此时外骨骼足底压力。
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