CN107561970A - 一种双足支撑区域判别的控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人技术领域，涉及一种双足支撑区域判别的控制系统及方法。控制系统包括主机、从机1与从机2,控制方法包括以下步骤：(1)建立初始站立状态下的双足标记点坐标系；(2)根据行走过程中左脚压力测量单元和右脚压力测量单元反馈的信号判断双足步态相；(3)根据步骤(2)判定的双足步态相确定左、右脚各自的支撑区域；(4)根据左脚惯性测量单元和右脚惯性测量单元确定双足的位移和足偏角，并在步骤(1)的坐标系内计算由步骤(3)确定的左、右脚各自支撑区域内的标记点坐标值；(5)以步骤(4)中标记点连线构成的区域计算双足支撑区域。提高双足行走时双足支撑区域计算的准确性和实时性。

Description

一种双足支撑区域判别的控制系统及方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，更具体地涉及一种双足支撑区域判别的控制系统及方法。

背景技术

以下对本发明的相关技术背景进行说明，但这些说明并不一定构成本发明的现有技术。

随着可穿戴带设备技术及机器人传感器技术的不断发展，人体工程学与机器人学的综合应用已成为国内外研究的热点。其中像下肢外骨骼机器人、双足机器人等项目，就是人体步态行走在机器人领域的应用。为实现仿人行走的稳定性，必须研究一套专门的防跌倒机制，即实时监测ZMP(零力矩点)与双足的支撑区域的位置关系，以便控制ZMP落在双足支撑区域内，使整个系统保持稳定，其中双足支撑区域的判断与识别是一个重点。

目前，针对于行走过程中双足信息测量的装置及方法，大部分只是单纯的基于足底压力或基于足部加速度等一种信息来进行测量分析，例如已公开的专利号为CN201510946361.X的名为“一种测量足底压力的方法”的专利，以及专利号为CN201510239285.9的名为“一种行人步幅测量系统”的专利。少数采用两种以上传感器的检测装置，只限于对双足步态原始信息的采集，而未对数据进行具体处理及应用，或应用的原理及方向与本专利不同。例如已公开的专利号为CN201610838097.2的名为“一种足部姿态信息和压力测量系统及智能运动鞋”的专利，以及专利号为CN201510971801.7的名为“一种可穿戴式多信息融合的步态分析系统及其方法”。本发明在足部加入惯性测量单元的同时，与足底压力信息相融合，首次提出一种方法来实现步态行走过程中双足支撑区域的识别与计算。

发明内容

为解决现有技术对双足机器人双足支撑区域判别方法比较单一的固有问题，提出一种双足支撑区域判别的控制系统及方法。

在根据本发明的一个优选的实施例中，

一种双足支撑区域判别的控制系统，控制系统包括主机、从机1与从机2。

在控制系统内，主机协调从机1、2的运行，并接受、处理从机1、2发送的信息，进行双足支撑区域的实时判别与计算。在硬件上，其核心器件是一块高性能单片机；

在控制系统内，从机1、2受主机调度，主要采集步态中双足的相关信息并发送给主机；在硬件上，其具体涉及一种可用于下肢外骨骼稳定行走的双足支撑区域实时判别装置，其中单个从机主要由压力测量单元、惯性测量单元以及数据处理单片机等组成。

一种双足支撑区域判别的方法,包括以下步骤：

(1)建立双足站立的初始状态下的双足标记点坐标系；

(2)根据行走过程中左脚压力测量单元和右脚压力测量单元反馈的信号判断双足步态相；

(3)根据步骤(2)判定的双足步态相确定左、右脚各自的支撑区域；

(4)在步骤(1)的坐标系内根据左、右脚相对位置和姿态计算由步骤(3)确定的左、右脚各自的支撑区域内的标记点坐标值；

(5)以步骤(4)中标记点连线构成的区域计算双足支撑区域。

进一步地，标记点坐标系包括标记点绝对坐标系和标记点相对坐标系，三者为共平面的平面坐标系；标记点绝对坐标系以双足站立时人体重心在地面的投影为原点O，人体正前方为X轴方向；标记点相对坐标系包括左脚标记点相对坐标系和右脚坐标点相对坐标系，左脚中轴线自脚跟向脚尖方向为左脚标记点相对坐标系的X_L轴方向，左脚标记点相对坐标系的原点O_L在左脚后跟处；右脚中轴线自脚跟向脚尖方向为右脚标记点相对坐标系的X_R轴方向，右脚标记点相对坐标系的原点O_R在右脚脚后跟处。

进一步地，双足步态相包括离地摆动、脚跟着地、全脚着地、脚跟离地和脚尖着地这五种步态相。

进一步地，将左脚足底和右脚足底等效成两个与足底相似的矩形，对应五种步态相将该矩形划分为四个触地区域，从四个触地区域之间的所有节点中选取自脚尖外侧到脚跟外侧之间连续的7个节点作为足底标记点，足底标记点一次为标记点A、标记点B、标记点C、标记点D、标记点E、标记点F和标记点G。

具体优点为：

本发明在足部加入惯性测量单元的同时，与足底压力信息相融合，首次提出一种方法来实现步态行走过程中双足支撑区域的识别与计算。相关传感器均以定制鞋垫为载体，并通过软导线连接至从机控制芯片。从机将采集的信息进行处理、计算后传输至主机，主机综合两个从机的有效信息作出实时判别。判别方法是对多传感器信息进行融合处理，利用融合后处理后的数据，计算人在行走过程中双足所形成的支撑区域。提高了双足行走时双足支撑区域计算的准确性和实时性。

附图说明

通过以下参照附图而提供的具体实施方式部分，本发明的特征和优点将变得更加容易理解，在附图中：

图1是本发明的硬件架构图；

图2是本发明主、从机程序流程原理图；

图3是足底压力区域变化示意图；

图4是双足初始状态及标记点坐标图；

图5是三种典型步态下的支撑区域图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的示例性实施方式进行详细描述。对示例性实施方式的描述仅仅是出于示范目的，而绝不是对本发明及其应用或用法的限制。

根据本发明的所示出的实施例，如图1所示，一种双足支撑区域判别的控制系统,控制系统包括主机、从机1与从机2。

在控制系统内，主机协调从机1、2的运行，并接受、处理从机1、2发送的信息，进行双足支撑区域的实时判别与计算。在硬件上，其核心器件是一块高性能单片机；

在控制系统内，从机1、2受主机调度，主要采集步态中双足的相关信息并发送给主机。在硬件上，其具体涉及一种可用于下肢外骨骼稳定行走的双足支撑区域实时判别装置，其中单个从机主要由压力测量单元、惯性测量单元以及数据处理单片机等组成。

一种双足支撑区域判别的方法，包括以下步骤：

(1)建立双足站立的初始状态下的双足标记点坐标系；

(2)根据行走过程中左脚压力测量单元和右脚压力测量单元反馈的信号判断双足步态相；

(3)根据步骤(2)判定的双足步态相确定左、右脚各自的支撑区域；

(4)在步骤(1)的坐标系内根据左、右脚相对位置和姿态计算由步骤(3)确定的左、右脚各自的支撑区域内的标记点坐标值；

(5)以步骤(4)中标记点连线构成的区域计算双足支撑区域。

本方法是基于一种双足支撑区域实时判别装置的双足支撑区域实时判别方法，参照图2所示，双足支撑区域实时判别装置包括主机以及与主机通讯连接的左脚步态信息采集器和右脚步态信息采集器；左脚步态信息采集器安装在穿戴者的左鞋内，对行走过程中左脚在整个步态周期中的状态进行检测和识别，并对采集到的信息进行预处理后输送给主机；右脚步态信息采集器安装在穿戴者的右鞋内，对行走过程中右脚在整个步态周期中的状态进行检测和识别，并对采集到的信息进行预处理后收送给主机；主机，综合处理从左脚步态信息采集器和右脚信息采集器获得的信息，计算并识别出双足行走过程中的实时支撑区域。

左脚步态信息采集器包括有安装在右鞋内的左脚压力测量单元和左脚惯性测量单元，以及左脚信息处理单元，左脚压力测量单元和左脚惯性测量单元通过导线与左脚信息处理单元信号连接；左脚压力测量单元包括对应于足底特定位置的多个压力传感器，用以将行走过程中左脚的足底着力点位置信息实时发送给左脚信息处理单元；左脚惯性测量单元，用以将行走过程中左脚的位移及其其他运动参数信息实时发送给左脚信息处理单元；左脚信息处理单元，用以处理从左脚压力测量单元和左脚惯性测量单元获取的原始数据进行处理和计算并发送给主机。

右脚步态信息采集器包括有安装在右鞋内的右脚压力测量单元和右脚惯性测量单元，以及右脚信息处理单元，右脚压力测量单元和右脚惯性测量单元通过导线与右脚信息处理单元信号连接；右脚压力测量单元包括对应于足底特定位置的多个压力传感器，用以将行走过程中右脚的足底着力点位置信息实时发送给右脚信息处理单元；右脚惯性测量单元，用以将行走过程中右脚的位移及其其他运动参数信息实时发送给右脚信息处理单元；右脚信息处理单元，用以处理从右脚压力测量单元和右脚惯性测量单元获取的原始数据进行处理和计算并发送给主机。

左脚压力测量单元和右脚压力测量单元均包括有四个压力传感器，四个压力传感器分别对应于单足足底的拇指、第一跖趾关节、第五跖趾关节和跟骨下方。

左脚惯性测量单元和右脚惯性测量单元分别对应于单足足底的足弓下方并且相对于鞋底呈水平安装。惯性测量单元，即IMU芯片，安装在鞋垫内并且位于足弓下方，巧妙利用人体足弓与鞋垫之间的间隙，在满足穿戴舒适的情况下，防止芯片受压损坏。IMU芯片水平安装以便于其校准，同时能够跟随足部，保持相同的运动，保证对惯性测量的准确性。

参照图4所示，标记点坐标系包括标记点绝对坐标系和标记点相对坐标系，三者为共平面的平面坐标系；标记点绝对坐标系以双足站立时人体重心在地面的投影为原点O，人体正前方为X轴方向；标记点相对坐标系包括左脚标记点相对坐标系和右脚坐标点相对坐标系，左脚中轴线自脚跟向脚尖方向为左脚标记点相对坐标系的X_L轴方向，左脚标记点相对坐标系的原点O_L在左脚后跟处；右脚中轴线自脚跟向脚尖方向为右脚标记点相对坐标系的X_R轴方向，右脚标记点相对坐标系的原点O_R在右脚脚后跟处。

布置于鞋垫内的薄膜式压敏电阻，因其压敏特性成非线性关系，故难以实现压力值的精确测量，且受穿鞋时足底与鞋垫间固有的松紧压力影响，各个压敏电阻上可能存在不同的初始压力值。故而本方法在ADC采样各薄膜式压敏电阻的信号值后，通过设定阈值的方式，屏蔽掉初始压力干扰，并最终将各信号值转为“0/1”形式的开关信号，实现了对足底不同区域是否与地面接触的判断。分析步态周期，可以发现足部的位移变化只是在摆动期间产生，而在脚与地面的接触过程中，可以默认使无滑动位移的。利用这一现象，本方法中：参考足底压力信号，以足部离地开始摆动为起始时刻，以足跟着地为结束时刻，对采集到的X轴与Y轴方向上加速度进行二次积分，得到足部在水平面内的位移。

如图3和图4所示，双足步态相包括离地摆动、脚跟着地、全脚着地、脚跟离地和脚尖着地这五种步态相。

将左脚足底和右脚足底等效成两个与足底相似的矩形，对应五种步态相将该矩形划分为四个触地区域，从四个触地区域之间的所有节点中选取自脚尖外侧到脚跟外侧之间连续的7个节点作为足底标记点，足底标记点一次为标记点A、标记点B、标记点C、标记点D、标记点E、标记点F和标记点G。

双足支撑区域的计算：

通常一个完整的步态周期，包括左、右脚分别向前完成一次迈步。现以行走过程中的半个步态为例：如图5所示，当右脚向前迈步，即右腿摆动期间，左脚单脚着地，双足支撑区域即左侧脚底的等效面积。当右脚摆动结束，与地面接触时，可通过左、右脚各自的偏航角(ψ_L、ψ_R)，得到双足的偏转姿态；再由双足的位移，计算出双足在水平面内的相对位移(s_x、s_y)；然后由双足步态相(GAIT)，判别出双脚与地面接触区域；最后综合上述信息，将对应区域的标记点进行连线，即可通过几何坐标运算得到双足的支撑区域。另外的半个步态周期与此对称类似。

虽然参照示例性实施方式对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明并不局限于文中详细描述和示出的具体实施方式，在不偏离权利要求书所限定的范围的情况下，本领域技术人员可以对所述示例性实施方式做出各种改进或变型。

Claims (5)

1.一种双足支撑区域判别的控制系统，其特征在于：控制系统包括主机、从机1与从机2；

在控制系统内，主机协调从机1、2的运行，并接受、处理从机1、2发送的信息，进行双足支撑区域的实时判别与计算，在硬件上，其核心器件是一块高性能单片机；

在控制系统内，从机1、2受主机调度，主要采集步态中双足的相对位置、姿态以及足底支撑区域信息，并发送给主机；在硬件上，单个从机主要由压力测量单元、惯性测量单元以及数据处理单片机组成。

2.一种双足支撑区域判别的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)建立双足站立的初始状态下的双足标记点坐标系；

(2)根据行走过程中左脚压力测量单元和右脚压力测量单元反馈的信号判断双足步态相；

(3)根据步骤(2)判定的双足步态相确定左、右脚各自的支撑区域；

(4)根据左脚惯性测量单元和右脚惯性测量单元确定双足的位移和足偏角，并在步骤(1)的坐标系内计算由步骤(3)确定的左、右脚各自支撑区域内的标记点坐标值；

(5)以步骤(4)中标记点连线构成的区域计算双足支撑区域。

3.根据权利要求2所述的双足支撑区域判别的方法，其特征在于：所述标记点坐标系包括标记点绝对坐标系和标记点相对坐标系，三者为共平面的平面坐标系；标记点绝对坐标系以双足站立时人体重心在地面的投影为原点O，人体正前方为X轴方向；标记点相对坐标系包括左脚标记点相对坐标系和右脚坐标点相对坐标系，左脚中轴线自脚跟向脚尖方向为左脚标记点相对坐标系的X_L轴方向，左脚标记点相对坐标系的原点O_L在左脚后跟处；右脚中轴线自脚跟向脚尖方向为右脚标记点相对坐标系的X_R轴方向，右脚标记点相对坐标系的原点O_R在右脚脚后跟处。

4.根据权利要求2所述的双足支撑区域判别的方法，其特征在于：所述双足步态相包括离地摆动、脚跟着地、全脚着地、脚跟离地和脚尖着地这五种步态相。

5.根据权利要求4所述的双足支撑区域判别的方法，其特征在于：将左脚足底和右脚足底等效成两个与足底相似的矩形，对应五种步态相将该矩形划分为四个触地区域，从四个触地区域之间的所有节点中选取自脚尖外侧到脚跟外侧之间连续的7个节点作为足底标记点，足底标记点一次为标记点A、标记点B、标记点C、标记点D、标记点E、标记点F和标记点G。