CN105835044B - 一种基于多传感器融合的外骨骼机器人测距智能鞋系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多传感器融合的外骨骼机器人测距智能鞋系统，包括：第一检测装置，用于检测外骨骼机器人在行走过程中的足部压力；第二检测装置，用于向鞋体（1）前方发出第一信号，并接收反射回来的第一反射信号；第三检测装置，用于在外骨骼机器人行走过程中向鞋体（1）下方发出第二信号，并接收反射回来的第二反射信号；控制装置，用于根据第一反射信号检测鞋体（1）前方是否有障碍物、以及障碍物距离鞋体（1）的距离；用于根据第二反射信号检测鞋体（1）距离地面的距离、地面是否有障碍物、以及障碍物距离鞋体（1）的距离。本发明结构简单，可靠性好，实用价值高。

Description

一种基于多传感器融合的外骨骼机器人测距智能鞋系统

技术领域

本发明属于机器人康复医疗领域，涉及一种用于机器人的智能鞋系统，尤其涉及一种基于多传感器融合的外骨骼机器人测距智能鞋系统。

背景技术

机器人技术的发展已有几十年的历史，通过技术的不断革新，近几年机器人技术有了质的飞跃，使其变得越来越智能，外骨骼机器人是一种高度智能的人机耦合体，在康复医疗领域有着广阔的应用前景。通过不断的创新发展，外骨骼机器人能帮助截瘫患者站立行走，有效的摆脱截瘫患者对轮椅的高度依赖，从身体上，使患者能像正常人一样行走，通过日常生活的行走运动锻炼，使患者得到一定程度的康复，缓解病情的进一步加深，给患者带来了福音。不仅如此，更重要的是从心里上，让患者也站起来了，使他们对生活又重新充满了希望。

各种功能的传感器是外骨骼机器人的“五官”，安装在外骨骼足部的压力传感器能“感受”外骨骼当前的受力情况，通过测量压力传感器的变化能识别外骨骼当前的运动状态及重心参数变化情况；安装在外骨骼足部的超声波传感器和红外传感器能测量外骨骼前方是否有障碍物，检测障碍物距外骨骼的距离，为后续外骨骼控制措施提供距离信息，避免因外骨骼盲走而撞上障碍物造成事故。为避免此类事故的发生，本发明旨在提供一种基于多传感器融合的外骨骼机器人测距智能鞋系统。

在本领域中，已公开的专利号为CN 104865965 A 的名为“机器人用深度摄像头与超声波结合的避障控制方法与系统”的专利，该系统安装在机器人上的测距传感器有深度摄像头和超声波模块，深度摄像头拍摄0.3～4m以内的深度图像，超声波模块测量0～0.3m以内是否有障碍物，在深度摄像头与超声波模块联合使用中，深度摄像头每次会转动一定角度拍摄深度图像，通过多次旋转来实现360度拍摄，然后通过计算处理判断是否有障碍物，此系统除深度摄像头和超声波模块之外还有处理模块，显示屏等，该发明能无盲区探测，能有效避开障碍物。但是，该发明也有一些不足之处：

（1）该发明采用深度摄像头拍摄周围深度图像，深度摄像头体积相对较大，重量相对较重；

（2）该发明采用深度摄像头拍摄周围深度图像，图像的数据量较大，处理速度较慢，对处理器的要求较高；

（3）该发明深度摄像头和超声波模块联合使用探测周围是否有障碍物，没有指明机器人是否是人形机器人，没有探测人形机器人行走过程中脚步离开地面的距离。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于多传感器融合的外骨骼机器人测距智能鞋系统，结构简单，可靠性好，实用价值高。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于多传感器融合的外骨骼机器人测距智能鞋系统，包括鞋体，鞋体上安装有控制装置、至少一个第一检测装置、至少一个第二检测装置和至少一个第三检测装置；所述第一检测装置，用于检测外骨骼机器人在行走过程中的足部压力；所述第二检测装置，用于向鞋体前方发出第一信号，并接收反射回来的第一反射信号；所述第三检测装置，用于在外骨骼机器人行走过程中向鞋体下方发出第二信号，并接收反射回来的第二反射信号；所述控制装置，用于根据第一反射信号检测鞋体前方是否有障碍物、以及障碍物距离鞋体的距离；用于根据第二反射信号检测鞋体距离地面的距离、地面是否有障碍物、以及障碍物距离鞋体的距离。

所述鞋体从上至下包括上层、中间层和底层，所述第一检测装置设置在中间层和底层之间。

所述上层为金属层，所述中间层和底层为塑料层。

所述中间层底部开有沉孔，沉孔内放置有采压垫圈，采压垫圈的一端与第一检测装置的一端接触，采压垫圈和第一检测装置彼此接触的截面形状相同，采压垫圈的高度大于沉孔的深度。

所述控制装置包括微控制器蜂鸣器和电源；所述微控制器，用于根据第一反射信号检测鞋体前方是否有障碍物、以及障碍物距离鞋体的距离；用于根据第二反射信号检测鞋体距离地面的距离、地面是否有障碍物、以及障碍物距离鞋体的距离；用于判断障碍物距离鞋体的距离是否小于第一阈值、以及判断电源的电压是否小于第二阈值。所述电源，用于为微控制器、蜂鸣器、第一检测装置、第二检测装置和第三检测装置供电；所述蜂鸣器，用于在障碍物距离鞋体的距离小于第一阈值、或电源的电压小于第二阈值时进行报警。

所述控制装置还包括通信装置，通信装置与微控制器连接。

所述通信装置包括串口通信装置、CAN通信装置和无线通信装置。

所述鞋体上还安装有第一检测校正装置、第二检测校正装置和第三检测校正装置；所述第一检测校正装置，用于对第一检测装置传输至控制装置的信号进行检测，并根据第一标定曲线进行校正；所述第二检测校正装置，用于对第二检测装置传输至控制装置的信号进行检测，并根据第二标定曲线进行校正；所述第三检测校正装置，用于对第三检测装置传输至控制装置的信号进行检测，并根据第三标定曲线进行校正。

所述第一检测装置包括压力传感器，所述第二检测装置包括第一红外传感器和超声波传感器，所述第三检测装置包括第二红外传感器。

所述第一红外传感器和超声波传感器安装于鞋体的脚踝处且超声波传感器位于第一红外传感器的上方。

本发明的有益效果是：本发明提供一种基于多传感融合的外骨骼机器人测距智能鞋系统，利用嵌入智能鞋中的压力传感器采集外骨骼在行走过程中的足底压力，能判别外骨骼的运动状态，行走稳定性等，利用安装在智能鞋踝关节处水平向前方向的第一红外传感器和超声波传感器测量距离，两种传感器测量距离远近搭配测量外骨骼前进方向是否有障碍物和障碍物距外骨骼的距离，利用安装在智能鞋脚踝处的第二红外传感器测量外骨骼在行走过程中脚部离开地面的距离和脚部落地方向是否有障碍物，提高外骨骼脚部落地时的稳定性，同时也拓展了外骨骼的运动范围，如上楼梯等，本发明结构简单，可靠性好，实用价值高。

附图说明

图1为本发明基于多传感器融合的外骨骼机器人测距智能鞋系统的示意框图；

图2为本发明中智能鞋系统的剖视图；

图3为本发明中压力传感器的分布示意图；

图4为本发明中智能鞋系统识别外骨骼机器人重心的流程图；

图5为本发明红外传感器和超声波传感器测距工作流程图；

图中，1-鞋体，101-上层，102-中间层，103-底层，2-压力传感器，3-超声波传感器，4-第一红外传感器，5-第二红外传感器，6-绑缚装置，7-编码器，8-沉孔，9-采压垫圈。

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，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种基于多传感器融合的外骨骼机器人测距智能鞋系统，包括鞋体1，鞋体1作为智能鞋系统的载体，为整个系统提供物理支撑和一定的保护功能，鞋体1上安装有控制装置、至少一个第一检测装置、至少一个第二检测装置和至少一个第三检测装置。

所述第一检测装置，用于检测外骨骼机器人在行走过程中的足部压力。

所述第二检测装置，用于向鞋体1前方水平发出第一信号，并接收反射回来的第一反射信号。

所述第三检测装置，用于在外骨骼机器人行走过程中向鞋体1下方竖直发出第二信号，并接收反射回来的第二反射信号。

所述控制装置，用于对所述足部压力进行分析，判定外骨骼机器人的当前运动状态、外骨骼机器人的重心坐标位置和外骨骼机器人的行走稳定程度；用于根据第一反射信号检测鞋体1前方是否有障碍物、以及障碍物距离鞋体1的距离，为外骨骼机器人控制调节当前的运动状态提供信息；用于根据第二反射信号检测鞋体1距离地面的距离、地面是否有障碍物、以及障碍物距离鞋体1的距离，从而判定外骨骼机器人的脚步在落地时是否会碰上障碍物，同时也可以利用此功能来实现外骨骼机器人上楼梯的功能。

所述第一检测装置包括压力传感器2。在一个实施例中，压力传感器2为薄膜式压力传感器2，所述薄膜式压力传感器2的型号可以为FSR 402型短尾传感器，也可以为FSR400型传感器、FSR 406型传感器或FSR 408型传感器。

所述第二检测装置包括第一红外传感器4和超声波传感器3。第一红外传感器4为GP2Y0A02YK0F红外传感器模块，该模块外形尺寸为：29.5×13×21.6 mm，距离测量范围为：20～150 cm，信号输出类型为电压模拟信号，当采用10位AD读取数据时，测量精度能达到1mm，此传感器采用了三角测量原理，被测物体的材质、环境温度以及测量的时间对传感器的测量精度影响很小，而且输出电压信号易于检测，数据处理量小，处理方便，采样率高。超声波传感器3为KS103型超声波测距模块，该传感器测量距离为 1cm–8m，测量精度最高能达1mm，采用I2C和TTL串口通信，具有温度补偿功能，性能可靠。水平向前方向利用测量原理和测量距离不同的红外传感器和超声波传感器3测量前方一定范围内是否有障碍物和障碍物距外骨骼的距离，通过两种传感器搭配，能有效的避免温度、湿度、光照等周围因素对传感器测量距离的影响，提高了系统测量的精确度和可靠性。同时红外传感器安装在踝关节位置靠下，超声波传感器3安装在踝关节位置靠上（即第一红外传感器4和超声波传感器3安装于鞋体1的脚踝处且超声波传感器3位于第一红外传感器4的上方），这种位置安装能避免传感器的盲区，进而能实现无盲区测量，避免外骨骼撞上传感器盲区内的障碍物而造成事故。

所述第三检测装置包括第二红外传感器5。第二红外传感器5为GP2D12红外传感器，该模块外形尺寸为：29.5×13×13.5 mm,测量距离范围为：10cm～80cm，信号输出类型为电压模拟信号，输出电压和探测距离成反比，当采用10位AD读取数据时，测量精度能达到1mm，输出电压信号易于检测，数据处理量小，处理方便，采样率高，利用竖直向下方向的红外传感器能测量外骨骼在行走过程中脚步离开地面的距离，为上位机控制整个外骨骼稳定行走提供信息，同时也能测量外骨骼在行走中落脚时，竖直方向是否有障碍物以及障碍物离脚底的距离。将竖直向下红外传感器安装在踝关节靠上位置能避免传感器的盲区，使测量距离处于传感器精度最高的测量区域中，不仅能实现无盲区测量，而且还能提高测量精度。

如图2所示，所述鞋体1从上至下包括上层101、中间层102和底层103，所述第一检测装置设置在中间层102和底层103之间。所述上层101为金属层，所述中间层102和底层103为塑料层。

所述中间层102底部开有沉孔8，沉孔8内放置有采压垫圈9，采压垫圈9的一端与第一检测装置的一端接触，采压垫圈9和第一检测装置彼此接触的截面形状、截面面积相同，在一个实施例中，采压垫圈9呈圆柱形；采压垫圈9的高度大于沉孔8的深度，采压垫圈9凸出沉孔8一部分，这样更有利于将压力传给第一检测装置，便于第一检测装置准确地采集一定范围内的压力。第一检测装置与采压垫圈9之间采用胶水粘贴，选用的胶水粘性强且不影响第一检测装置的性能，第一检测装置与采压垫圈9对正粘贴，且由于第一检测装置和采压垫圈9截面形状和截面面积均相同，这样能使第一检测装置的采压效果达到最好。

在一个实施例中，第一检测装置为压力传感器2，且压力传感器2的数量为多个，图中智能鞋系统采用多个压力传感器2组成压力传感器2阵列，以便精确测量外骨骼机器人足部每个区域的压力，考虑到外骨骼机器人的实际情况，本实施例中采用12个压力传感器2，压力传感器2的分布如图3所示，主要分布在趾骨、跖骨和距骨对应位置，采集足部主要位置区域的压力大小，为外骨骼机器人判断当前运动状态及运动稳定性提供压力信息。压力传感器2具体分布位置可适当调整，并不局限于图3中所示位置。

所述控制装置包括微控制器蜂鸣器和电源；所述微控制器，用于根据第一反射信号检测鞋体1前方是否有障碍物、以及障碍物距离鞋体1的距离；用于根据第二反射信号检测鞋体1距离地面的距离、地面是否有障碍物、以及障碍物距离鞋体1的距离；用于判断障碍物距离鞋体1的距离是否小于第一阈值、以及判断电源的电压是否小于第二阈值。在一个实施例中，控制装置用STM32F405作为微处理器，控制各个传感器的数据采样，并对各个传感器的数据进行融合处理。

所述电源，用于为微控制器、蜂鸣器、第一检测装置、第二检测装置和第三检测装置供电。

所述蜂鸣器，用于在障碍物距离鞋体1的距离小于第一阈值、或电源的电压小于第二阈值时进行报警。

所述控制装置还包括通信装置，通信装置与微控制器连接。所述通信装置包括串口通信装置、CAN通信装置和无线通信装置。

所述鞋体1上还安装有第一检测校正装置、第二检测校正装置和第三检测校正装置；所述第一检测校正装置，用于对第一检测装置传输至控制装置的信号进行检测，并根据第一标定曲线进行校正；所述第二检测校正装置，用于对第二检测装置传输至控制装置的信号进行检测，并根据第二标定曲线进行校正；所述第三检测校正装置，用于对第三检测装置传输至控制装置的信号进行检测，并根据第三标定曲线进行校正。所述第一检测校正装置包括压力传感器2检测校正模块，第二检测校正装置包括红外传感器检测校正模块和超声波传感器3检测校正模块，第三检测校正装置包括红外传感器检测校正模块；第一标定曲线包括压力传感器2标定曲线，第二标定曲线包括红外传感器标定曲线和超声波传感器3标定曲线，第三标定曲线包括红外传感器标定曲线。

所述鞋体1上还设有绑缚装置6和编码器7。

如图4所示，判定外骨骼机器人的当前运动状态、外骨骼机器人的重心坐标位置和外骨骼机器人的行走稳定程度的流程如下：

S01：打开外骨骼机器人的电源，系统上电初始化；

S02：左脚压力传感器2和右脚压力传感器2分别采样求得零偏值，并在以后的运算中减去零偏值；

S03：控制装置控制每个压力传感器2采样n次，具体的采样次数可根据所使用的微控制器执行能力和外骨骼所需要的采样频率而确定；

S04：左右脚的压力传感器2检测校正模块分别检测解算左脚每个压力传感器2的值和右脚每个压力传感器2的值；

S05：左右脚的压力传感器2检测校正模块分别根据压力传感器2标定曲线校正左脚每个压力传感器2的值和右脚每个压力传感器2的值；

S06：微控制器根据左右脚每个压力传感器2的值和压力传感器2的安装位置解算出外骨骼机器人压力中心COP在水平面内的坐标（x,y），认为此坐标即是外骨骼机器人重心在水平面内的坐标位置；

S07：判断外骨骼机器人压力中心COP所在坐标位置（x,y）是否在设定的阈值坐标范围内，若是，则判定外骨骼机器人当前处于稳定运动状态，外骨骼机器人可以继续当前的运动状态或者稳定的进入下一个运动状态然后转S03；若否，则将外骨骼机器人压力中心COP坐标位置（x,y）传给上位机，上位机调整外骨骼机器人的步态，使外骨骼机器人处于稳定范围内然后转S03。

如图5所示，第一红外传感器4和超声波传感器3测距工作流程如下：

S11：外骨骼机器人上电，系统初始化，并等待电压稳定；

S12：控制装置控制水平向前方向的第一红外传感器4采样n次，具体的采样次数可根据所使用的微控制器执行能力和外骨骼机器人所需要的采样频率而具体确定；

S13：红外传感器检测校正模块解算出传感器测量的距离，红外传感器检测校正模块根据预先设计好的红外线传感器标定曲线校正传感器测量距离，外骨骼机器人左右两只智能鞋所用传感器和工作流程完全一样，安装位置对称，此处不在区分细写，后面所用的竖直方向的第二红外传感器5也是一样不区分左右。

S14：控制装置控制水平向前方向超声波传感器3采样n次，具体的采样次数可根据所使用的微控制器执行能力和外骨骼机器人所需要的采样频率而具体确定；

S15：超声波传感器3检测校正模块解算出传感器的测量距离，超声波传感器3检测校正模块根据超声波传感器3标定曲线校正传感器的测量距离得；

S16：微控制器融合处理红外传感器测量距离和超声波传感器3测量距离，判断设定阈值范围内是否有障碍物；

S17：如果设定阈值内有障碍物，则精确测量障碍物距外骨骼机器人的距离，然后控制装置控制竖直向下的第二红外传感器5采样n次，红外传感器检测校正模块解算传感器测量距离，红外传感器检测校正模块根据红外线传感器标定曲线校正传感器测量距离得，再将和数据打包发送给上位机，上位机调整外骨骼机器人当前的运动状态来避开障碍物，然后转S12；

S18：若果设定的阈值范围内没有障碍物，控制装置控制竖直向下的第二红外传感器5采样n次，红外传感器检测校正模块解算传感器测量距离，红外传感器检测校正模块根据传感器的标定曲线校正传感器测量距离得，将数据传给上位机，然后转S12。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于多传感器融合的外骨骼机器人测距智能鞋系统，其特征在于：包括鞋体（1），鞋体（1）上安装有控制装置、至少一个第一检测装置、至少一个第二检测装置和至少一个第三检测装置；

所述第一检测装置，用于检测外骨骼机器人在行走过程中的足部压力；

所述第二检测装置，用于向鞋体（1）前方发出第一信号，并接收反射回来的第一反射信号；

所述第三检测装置，用于在外骨骼机器人行走过程中向鞋体（1）下方发出第二信号，并接收反射回来的第二反射信号；

所述控制装置，用于根据第一反射信号检测鞋体（1）前方是否有障碍物、以及障碍物距离鞋体（1）的距离；用于根据第二反射信号检测鞋体（1）距离地面的距离、地面是否有障碍物、以及障碍物距离鞋体（1）的距离。

2.根据权利要求1所述的一种基于多传感器融合的外骨骼机器人测距智能鞋系统，其特征在于：所述鞋体（1）从上至下包括上层（101）、中间层（102）和底层（103），所述第一检测装置设置在中间层（102）和底层（103）之间。

3.根据权利要求2所述的一种基于多传感器融合的外骨骼机器人测距智能鞋系统，其特征在于：所述上层（101）为金属层，所述中间层（102）和底层（103）为塑料层。

4.根据权利要求2所述的一种基于多传感器融合的外骨骼机器人测距智能鞋系统，其特征在于：所述中间层（102）底部开有沉孔（8），沉孔（8）内放置有采压垫圈（9），采压垫圈（9）的一端与第一检测装置的一端接触，采压垫圈（9）和第一检测装置彼此接触的截面形状相同，采压垫圈（9）的高度大于沉孔（8）的深度。

5.根据权利要求1所述的一种基于多传感器融合的外骨骼机器人测距智能鞋系统，其特征在于：所述控制装置包括微控制器蜂鸣器和电源；

所述微控制器，用于根据第一反射信号检测鞋体（1）前方是否有障碍物、以及障碍物距离鞋体（1）的距离；用于根据第二反射信号检测鞋体（1）距离地面的距离、地面是否有障碍物、以及障碍物距离鞋体（1）的距离；用于判断障碍物距离鞋体（1）的距离是否小于第一阈值、以及判断电源的电压是否小于第二阈值；

所述电源，用于为微控制器、蜂鸣器、第一检测装置、第二检测装置和第三检测装置供电；

所述蜂鸣器，用于在障碍物距离鞋体（1）的距离小于第一阈值、或电源的电压小于第二阈值时进行报警。

6.根据权利要求5所述的一种基于多传感器融合的外骨骼机器人测距智能鞋系统，其特征在于：所述控制装置还包括通信装置，通信装置与微控制器连接。

7.根据权利要求6所述的一种基于多传感器融合的外骨骼机器人测距智能鞋系统，其特征在于：所述通信装置包括串口通信装置、CAN通信装置和无线通信装置。

8.根据权利要求1所述的一种基于多传感器融合的外骨骼机器人测距智能鞋系统，其特征在于：所述鞋体（1）上还安装有第一检测校正装置、第二检测校正装置和第三检测校正装置；

所述第一检测校正装置，用于对第一检测装置传输至控制装置的信号进行检测，并根据第一标定曲线进行校正；

所述第二检测校正装置，用于对第二检测装置传输至控制装置的信号进行检测，并根据第二标定曲线进行校正；

所述第三检测校正装置，用于对第三检测装置传输至控制装置的信号进行检测，并根据第三标定曲线进行校正。

9.根据权利要求1所述的一种基于多传感器融合的外骨骼机器人测距智能鞋系统，其特征在于：所述第一检测装置包括压力传感器（2），所述第二检测装置包括第一红外传感器（4）和超声波传感器（3），所述第三检测装置包括第二红外传感器（5）。

10.根据权利要求9所述的一种基于多传感器融合的外骨骼机器人测距智能鞋系统，其特征在于：所述第一红外传感器（4）和超声波传感器（3）安装于鞋体（1）的脚踝处且超声波传感器（3）位于第一红外传感器（4）的上方。