CN106092379A - 一种外骨骼助残机器人充气式压力传感器 - Google Patents

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赵汉宾
赵江海
王容川
叶晓东
王美玲
赵子毅
陈淑艳
丁玲
付龙
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Jiangsu Zhongke winsis Intelligent Robot Technology Co. Ltd.
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Abstract

本发明公开了一种外骨骼助残机器人充气式压力传感器，包括充气鞋垫、气体压力传感器、信号采集板、CAN总线、上位机和电源模块，充气鞋垫由鞋垫中空气体腔、气管和气管接口组成，气管通过气管接口连接在中空气体腔的后部，气体压力传感器包括集成信号调理芯片和压力敏感器件，信号采集板包括CAN驱动模块和主控制器，所述主控制器的内部设置有数模转换模块。本发明具有适应性强、可靠性高、抗干扰能力强的优势，采用充气鞋垫作为人体足底压力传感器，测得压力值就是足底的全部压力，测量可靠性更高、准确性更高，提高了传感器对穿戴者的适应性；降低外界对传感器线路的电磁干扰，可以快速完成信号采集和CAN通信等任务。

Description

一种外骨骼助残机器人充气式压力传感器
技术领域
本发明涉及信号检测技术领域，具体是一种外骨骼助残机器人充气式压力传感器。
背景技术
人体运动步态识别是机器人领域的一个关键技术和难点所在，主要涉及足底压力信号采集、数据实时通信和数据处理等技术，可用于外骨骼助残机器人、医疗康复机器人等领域。
足底压力信号是外骨骼助残机器人控制的关键信号，足底压力可以反应穿戴者对外骨骼助残机器人足部的作用力，进而可以判断出穿戴者的下肢处于摆动态还是支撑态。目前，足底压力测量大部分采用薄膜传感器，如A401。但是，薄膜传感器通常被固定在鞋底的内表面，测量足底的四个主要受力点的压力值，这要求穿戴者的脚必须和机器人的鞋尺寸合适才行，并且薄膜传感器由塑料制成，不耐磨、不抗压，经常穿戴容易变形或损坏，进而影响信号测量准确性。为了推动外骨骼助残机器人的商业化、产品化，研究一种适应性更强，可靠性更高的压力传感器变成了一种迫切需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适应性强、可靠性高的外骨骼助残机器人充气式压力传感器，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种外骨骼助残机器人充气式压力传感器，包括充气鞋垫、气体压力传感器、信号采集板、CAN总线、上位机和电源模块，所述充气鞋垫、气体压力传感器、信号采集板、CAN总线和上位机依次相连，所述充气鞋垫由鞋垫中空气体腔、气管和气管接口组成，所述气管通过气管接口连接在中空气体腔的后部，充气鞋垫将足底压力变化信号转换成气体压力变化信号；所述气体压力传感器包括集成信号调理芯片和压力敏感器件，气体压力传感器将气体压力信号转换成相应的电信号；信号采集板包括CAN驱动模块和主控制器，所述主控制器的内部设置有数模转换模块，数模转换模块将模拟信号转换成数字信号，并通过CAN总线发送给上位机；所述压力敏感器件的输出端依次通过集成信号调理芯片、主控制器、CAN驱动模块和CAN总线连接上位机；所述电源模块的输出端分别连接主控制器和集成信号调理芯片的输入端，电源模块为信号采集板和气体压力传感器供电。
作为本发明进一步的方案：所述充气鞋垫采用塑料或橡胶制成。
作为本发明进一步的方案：所述气体压力传感器和信号调理电路构成集成式气体压力变送器模块，集成式气体压力变送器模块输出0.5-4.5V的线性模拟电信号。
作为本发明进一步的方案：所述信号采集板采用嵌入式设计，信号采集板上的主控制器完成模数转换和CAN数据通信。
作为本发明进一步的方案：所述上位机由PC机、监控软件和CAN卡组成。
作为本发明进一步的方案：所述主控制器为内带CAN控制器的ARM型微控制器。
作为本发明再进一步的方案：所述ARM型微控制器的型号为STM32F103C8T6。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明具有适应性强、可靠性高、抗干扰能力强的优势，采用充气鞋垫作为人体足底压力传感器，测得压力值就是足底的全部压力，测量可靠性更高、准确性更高。而且，穿戴者的脚尺寸比机器人的鞋小一些也可以踩到传感器的，进而提高了传感器对穿戴者的适应性；采用延长气管长度，减小电气线路长度的方法，降低外界对传感器线路的电磁干扰；采集板和上位机之间采用可靠性很高的CAN总线通信，可以快速完成信号采集和CAN通信等任务。
附图说明
图1是本发明中压力传感器的整体框图。
图2是本发明中充气鞋垫结构示意图。
图3是本发明中信号采集板结构示意图。
图4是本发明中气体压力传感器信号调理电路图。
图5是本发明中信号采集板控制流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
请参阅图1-5，一种外骨骼助残机器人充气式压力传感器，包括充气鞋垫1、气体压力传感器2、信号采集板3、CAN总线4、上位机5和电源模块14，所述充气鞋垫1、气体压力传感器2、信号采集板3、CAN总线4和上位机5依次相连，所述充气鞋垫1由鞋垫中空气体腔6、气管7和气管接口8组成，所述气管7通过气管接口8连接在中空气体腔6的后部，充气鞋垫1将足底压力变化信号转换成气体压力变化信号；所述气体压力传感器2包括集成信号调理芯片12和压力敏感器件13，气体压力传感器2将气体压力信号转换成相应的电信号；信号采集板3包括CAN驱动模块9和主控制器10，所述主控制器10的内部设置有数模转换模块11，数模转换模块11将模拟信号转换成数字信号，并通过CAN总线4发送给上位机5；所述压力敏感器件13的输出端依次通过集成信号调理芯片12、主控制器10、CAN驱动模块9和CAN总线4连接上位机5；所述电源模块14的输出端分别连接主控制器10和集成信号调理芯片12的输入端，电源模块14为信号采集板3和气体压力传感器2供电。
所述充气鞋垫1采用塑料或橡胶制成，所述充气鞋垫1的内部是中空的，并且内部气压可以承受人体的重力；所述气体压力传感器2和信号调理电路构成集成式气体压力变送器模块，集成式气体压力变送器模块输出0.5-4.5V的线性模拟电信号；所述信号采集板3采用嵌入式设计，信号采集板3上的主控制器10完成模数转换和CAN数据通信；所述上位机5由PC机、监控软件和CAN卡组成，监控软件可实时显示足底压力变化，并可以将采集数据以文件的形式保存；所述主控制器10为内带CAN控制器的ARM型微控制器，完成模数转换、数据处理和CAN通信；所述ARM型微控制器的型号为STM32F103C8T6。
所述CAN总线4上采用标准帧，通信速率为1Mbps；上位机监控软件由曲线显示区和控制区构成，主要完成压力数据的记录、显示和分析。所述信号调理电路中由于气体压力传感器2的输出信号为0.5-4.5V，超出了主控制器10的输入信号范围，故需要进行分压处理，信号理电路中采用电阻R34和R47进行分压，分压系数为0.5，分压后的信号电压范围为0.25-2.25V，满足主控制器10的输入信号电压要求；电阻R34和R47采用1%精度的精密电阻，电容C34用于信号滤波。
所述信号采集板3的控制流程如下：信号采集板3上电后先进行初始化操作，检查各部件是否运行正常，然后进入主循环。进入主循环后，启动主控制器10的数模转换模块11，采用过采样技术将数模转换模块11的分辨精度由12位提高到16位。获得ADC采样值后，进行滑动平均滤波，依据足底压力和ADC采样值的对应关系计算出足底压力值，依据制定好CAN总线通信协议，对数据进行打包，最后启动CAN模块将数据发送给上位机5。
上位机监控界面主要包含传感器采集相关区、实时曲线显示区和控制按钮区三部分构成。传感器采集相关区主要实现通信参数设置、采集数据实时显示和采样周期的设置；实时显示区主要完成足底压力实时曲线显示；按钮控制区主要实时数据采集控制，并实现采集数据的存储功能，数据以文本文件的形式存储到PC机中。
本发明具有适应性强、可靠性高、抗干扰能力强的优势，采用充气鞋垫1作为人体足底压力传感器，由于充气鞋垫1是铺满整个鞋底的，所以穿戴者的脚是整个踩到充气鞋垫1上的，测得压力值就是足底的全部压力，而不是几个点的压力，因此，测量可靠性更高、准确性更高。而且，穿戴者的脚尺寸比机器人的鞋小一些也可以踩到传感器的，进而提高了传感器对穿戴者的适应性；采用延长气管长度，减小电气线路长度的方法，降低外界对传感器线路的电磁干扰；采集板和上位机之间采用可靠性很高的CAN总线通信，通信速率为1Mbps；采用高速ARM型微控制器作为主控制器，主频可达72MHz，可以快速完成信号采集和CAN通信等任务。
上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (7)

1.一种外骨骼助残机器人充气式压力传感器，其特征在于，包括充气鞋垫（1）、气体压力传感器（2）、信号采集板（3）、CAN总线（4）、上位机（5）和电源模块（14），所述充气鞋垫（1）、气体压力传感器（2）、信号采集板（3）、CAN总线（4）和上位机（5）依次相连，所述充气鞋垫（1）由鞋垫中空气体腔（6）、气管（7）和气管接口（8）组成，所述气管（7）通过气管接口（8）连接在中空气体腔（6）的后部，充气鞋垫（1）将足底压力变化信号转换成气体压力变化信号；所述气体压力传感器（2）包括集成信号调理芯片（12）和压力敏感器件（13），气体压力传感器（2）将气体压力信号转换成相应的电信号；信号采集板（3）包括CAN驱动模块（9）和主控制器（10），所述主控制器（10）的内部设置有数模转换模块（11），数模转换模块（11）将模拟信号转换成数字信号，并通过CAN总线（4）发送给上位机（5）；所述压力敏感器件（13）的输出端依次通过集成信号调理芯片（12）、主控制器（10）、CAN驱动模块（9）和CAN总线（4）连接上位机（5）；所述电源模块（14）的输出端分别连接主控制器（10）和集成信号调理芯片（12）的输入端，电源模块（14）为信号采集板（3）和气体压力传感器（2）供电。
2.根据权利要求1所述的外骨骼助残机器人充气式压力传感器，其特征在于，所述充气鞋垫（1）采用塑料或橡胶制成。
3.根据权利要求1所述的外骨骼助残机器人充气式压力传感器，其特征在于，所述气体压力传感器（2）和信号调理电路构成集成式气体压力变送器模块，集成式气体压力变送器模块输出0.5-4.5V的线性模拟电信号。
4.根据权利要求1所述的外骨骼助残机器人充气式压力传感器，其特征在于，所述信号采集板（3）采用嵌入式设计，信号采集板（3）上的主控制器（10）完成模数转换和CAN数据通信。
5.根据权利要求1所述的外骨骼助残机器人充气式压力传感器，其特征在于，所述上位机（5）由PC机、监控软件和CAN卡组成。
6.根据权利要求1所述的外骨骼助残机器人充气式压力传感器，其特征在于，所述主控制器（10）为内带CAN控制器的ARM型微控制器。
7.根据权利要求6所述的外骨骼助残机器人充气式压力传感器，其特征在于，所述ARM型微控制器的型号为STM32F103C8T6。
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