CN109259989A - 一种助老伴行人手振动舒适度调节装置及其调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种助老伴行人手振动舒适度调节装置及其调节方法，包括传感器模块、设置在助老伴行机器人上的数据采集模块、中央处理模块和调节模块，数据采集模块用于接收传感器模块实时采集老年人手部承受的来自助老伴行机器人手把作用的振动加速度信号，经预处理后发送给中央处理模块；中央处理模块根据接收的信号进行人手振动舒适度评价，然后根据评价结果触发调节模块对老年人手部进行舒适度调节。本发明能够较准确的对人手振动舒适度进行调节，从而更好的实现老年人手部的舒适性。
Description
技术领域
本发明属于机器人控制技术领域，具体涉及一种助老伴行人手振动舒适度调节装置及其调节方法。
背景技术
随着很多国家迅速步入老龄化社会，越来越多的老年人患有运动机能障碍或者由神经系统控制能力下降、肌肉力量降低等引起的下肢虚弱，但其对自力更生和独立活动有着强烈的愿望，另外，日益增长的老年人数量导致护理的年轻人员短缺，因此，特别需要开发助老伴行机器人来代替护士和家人照看老年人。世界上很多学者研究了各种老年人助行机器人，并且人们对助行机器人的舒适性要求也越来越高，关于助行机器人舒适性方面的研究已广泛开展，主要有：申俊等结合老年人的身体结构特征，基于人机工程学原理对轮椅的静态舒适性进行了研究；秦田等通过分析人体压力分布特性对轮椅舒适性角度进行了研究；严雪等从交通工程学的角度，针对轮椅出行者的不同状态，以加权加速度均方根值模型为基础，探讨了基于人行道系统的动态轮椅舒适性的评价方法；Looze等研究了人体坐姿舒适性研究；Noda Y等研究了基于振动频率的轮椅动态舒适性评估；Maeda S等研究了使轮椅振动幅值最小化来改善乘客动态舒适度；Hikmawan M F等采用半轮椅模型方法对电动轮椅乘客动态舒适性进行了分析；Matsuoka Y等建立了振动传输模型和振动舒适性评估模型，并把此两种模型组成舒适度评价预测系统，对轮椅-乘客系统进行了动态舒适性评价。
对于机器人的伴行模态，老年人手部的舒适性的是一个重要的问题。然而，现有对助行机器人的舒适性的研究大多数是轮椅的静态舒适性和动态舒适性，而在助行机器人伴行模态人体手部的动态舒适性方面研究较少。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种助老伴行人手振动舒适度调节装置及其调节方法，把老年人手部承受的振动加速度参数的相关时域特征表征助老伴行人手振动舒适度，将振动加速度参数的相关时域特征与其舒适范围比较进行人手振动舒适度评价，并根据人手振动舒适度评价结果，对助老伴行机器人腿部下端支撑处的阻尼进行针对性的调节，能够较精确的达到老年人手部的振动舒适度调节的目的，更好的实现老年人手部的舒适性。
本发明采用以下技术方案：
一种助老伴行人手振动舒适度调节装置，包括传感器模块(2)、设置在助老伴行机器人(1)上的数据采集模块、中央处理模块和调节模块(3)，数据采集模块用于接收传感器模块(2)实时采集老年人手部承受的来自助老伴行机器人手把作用的振动加速度信号，经预处理后发送给中央处理模块；中央处理模块根据接收的信号进行人手振动舒适度评价，然后根据评价结果触发调节模块(3)对老年人手部进行舒适度调节。
其中，数据采集模块设置在助老伴行机器人(1)的后备箱(4)内，包括信号调理模块和数据采集卡，信号调理模块通过屏蔽线与传感器模块(2)连接，用于对采集的老年人手部承受的原始振动加速度信号进行预处理；
数据采集卡用于将采用信号调理电路处理的老年人手部承受的振动加速度信号数据进行收集并发送至中央处理模块。
其中，中央处理模块设置在助老伴行机器人(1)的后备箱(4)内，包括舒适度评价模块和DSP微处理器，舒适度评价模块通过DSP微处理器与调节模块(3)连接。
更进一步的，本发明的特点还在于：DSP微处理器采用32位定点数字信号处理器，型号为TMS320F28335。
其中，传感器模块2采用MEMS电容式三轴加速度计，设置在老年人手背处。
其中，调节模块3采用阻尼调节方式，安装在助老伴行机器人(1)的腿部下端支撑处。更进一步的，本发明的特点还在于：调节模块3包括驱动器、步进电机、阀杆和阀门，驱动器的输入端与中央处理模块连接，输出端与步进电机连接，步进电机经阀杆与阀门连接，用于改变节流孔的油液通道截面积。
本发明的另一技术方案是，一种助老伴行人手振动舒适度调节装置的调节方法，利用所述的助老伴行人手振动舒适度调节装置，采用振动加速度感知技术获取老年人手部承受的来自助老伴行机器人手把作用的振动加速度信号，并对获取的振动加速度信号进行特征提取，获取表征助老伴行人手振动舒适度的振动加速度参数的相关变化特征；根据获取的表征助老伴行人手振动舒适度的振动加速度参数的相关变化特征进行人手振动舒适度评价，并根据人手振动舒适度评价结果，对助老伴行机器人腿部下端支撑处的调节模块进行调节，调整老年人手部的振动加速度信息，完成人手振动舒适度调节。
其中，采用时域分析法对老年人手部承受的振动加速度信号数据进行特征提取，采用粒子群优化-BP神经网络非线性补偿算法对老年人手部承受的振动加速度信号数据进行补偿修正，获取老年人手部承受的振动加速度信号的时域特征-最大值，并将振动加速度参数的相关时域特征用来表征助老伴行人手振动舒适度。
其中，人手振动舒适度评价具体为：
设定老年人手部承受的振动加速度舒适范围小于1m/s2，采用振动加速度参数的相关时域特征与其舒适范围比较进行人手振动舒适度评价，若表征助老伴行人手振动舒适度的振动加速度参数的相关时域特征不在相应的舒适范围内时，表明老年人手部处于不舒适状态，若在相应的舒适范围内时，表明老年人手部处于舒适状态，保持原状；
若经过舒适度评价模块判定出老年人手部承受的振动加速度超出其舒适振动加速度范围，通过DSP微处理器计算助老伴行机器人系统需增加其腿部下端支撑处的阻尼值，并发出控制指令到驱动器，驱动器生成脉冲信号至步进电机，驱动步进电机经阀杆调节阀门，使其改变节流孔的油液通道截面积，进而改变节流压力，从而增加助老伴行机器人系统的阻尼，减小老年人手部的振动位移，根据振动强度K降低老年人手部的振动强度，调整老年人手部的振动加速度信息，使其达到舒适振动加速度范围之内。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种助老伴行人手振动舒适度调节装置，把老年人手部承受的振动加速度参数的相关时域特征表征助老伴行人手振动舒适度，将振动加速度参数的相关时域特征与其舒适范围比较进行人手振动舒适度评价，并根据人手振动舒适度评价结果，对助老伴行机器人腿部下端支撑处的阻尼进行针对性的调节，能够较精确的达到老年人手部的振动舒适度调节的目的，更好的实现老年人手部的舒适性。
进一步的，用屏蔽线的目的在于屏蔽电场耦合干扰，避免由于干扰引起的MEMS电容式三轴加速度计DA380的检测误差。
进一步的，选用TMS320F28335作为DSP微处理器是因为此微处理器是具有高性能、多功能、高性价比的一款DSP芯片，不仅具有强大的数字信号处理能力，而且还有完备的事件管理能力和嵌入式控制功能，非常适用于在快速精确处理和处理大量数据的场合，故此DSP微处理器能够提高舒适度调节的精确度，从而更好的达到老年人手部振动舒适度调节的目的。
进一步的，调节模块设置的好处是若老年人手部处于不舒适状态时，通过对助老伴行机器人腿部下端支撑处的阻尼进行针对性的调节，减小老年人手部的振动位移，从而降低老年人手部的振动强度，以达到老年人手部的振动舒适度调节的目的，更好的实现老年人手部的舒适性。
本发明一种助老伴行人手振动舒适度调节装置的调节方法，调节方法设置的目的是实时感知老年人手部的振动情况，通过老年人手部的振动舒适度评价针对性的触发调节模块，进行阻尼调节，以达到老年人手部的舒适性要求。
进一步的，采用粒子群优化-BP神经网络非线性补偿算法目的在于对老年人手部承受的振动加速度信号在受到外界干扰时产生的误差进行补偿修正，提高MEMS电容式三轴加速度计DA380的检测精度，采用粒子群优化算法对BP神经网络的初始权值和阈值进行改进和筛选，然后在使用BP神经网络对老年人手部承受的振动加速度信号在受到外界干扰产生的误差进行补偿，可提高系统的泛化能力和稳定性。
进一步的，人手振动舒适度评价的目的是根据老年人手部承受的振动加速度参数的相关时域特征判断老年人手部是否处于舒适状态；阻尼调节设置的目的是根据人手振动舒适度评价结果，若老年人手部处于不舒适状态，可通过增加助老伴行机器人系统的阻尼，以减小老年人手部的振动位移，从而降低老年人手部的振动强度，进而调整老年人手部的振动加速度信息，使其达到舒适状态。
综上所述，本发明能够较准确的对人手振动舒适度进行调节，从而更好的实现老年人手部的舒适性。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为助老伴行人手振动舒适度调节方法原理框图；
图2为助老伴行人手振动舒适度调节装置框图；
图3为阻尼调节原理框图；
图4为老年人-助老伴行机器人相互关系及各模块安装位置示意图。
其中：1.助老伴行机器人；2.传感器模块；3.调节模块；4.后备箱；5.老年人；6.老年人手背；7.助老伴行机器人手把；8.助老伴行机器人腿部。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供了一种助老伴行人手振动舒适度调节装置及其调节方法，采用振动加速度感知技术获取老年人手部承受的来自助老伴行机器人手把作用的振动加速度信号，并对获取的振动加速度信号进行信号处理(特征提取)，获取表征助老伴行人手振动舒适度的振动加速度参数的相关变化特征；根据获取的表征助老伴行人手振动舒适度的振动加速度参数的相关变化特征进行人手振动舒适度评价，并根据人手振动舒适度评价结果，对助老伴行机器人腿部下端支撑处的阻尼进行针对性的调节，以调整老年人手部的振动加速度信息，从而达到人手振动舒适度调节的目的。本发明能够较准确的对人手振动舒适度进行调节，从而更好的实现老年人手部的舒适性。
请参阅图2和图4，本发明提供了一种助老伴行人手振动舒适度调节装置，包括传感器模块2、数据采集模块、中央处理模块和调节模块3，传感器模块2设置在老年人手背6处，数据采集模块和中央处理模块分别设置在助老伴行机器人1的后备箱4内，调节模块3安装在助老伴行机器人腿部8的下端支撑处；数据采集模块用于接收传感器模块2实时采集老年人5手部承受的来自助老伴行机器人手把7作用的振动加速度信号，经预处理后发送给中央处理模块，中央处理模块根据接收的信号进行人手振动舒适度评价，然后根据评价结果触发调节模块3以达到老年人手部的舒适性要求。
中央处理模块包括舒适度评价模块和DSP微处理器，舒适度评价模块一方面采用时域分析法对老年人手部承受的振动加速度信号数据进行特征提取，并对老年人手部承受的振动加速度信号数据进行补偿修正，获取老年人手部承受的振动加速度信号的时域特征-最大值，并将振动加速度参数的相关时域特征用来表征助老伴行人手振动舒适度，另一方面根据获取的表征助老伴行人手振动舒适度的振动加速度参数的相关时域特征进行人手振动舒适度评价；
DSP微处理器接收舒适度评价的结果，根据人手振动舒适度评价结果针对性的触发调节模块，从而进行阻尼调节，以达到老年人手部的舒适性要求。
传感器模块2采用DA380型MEMS电容式三轴加速度计，通过屏蔽线与信号调理模块连接，用于实时采集老年人手部承受的来自助老伴行机器人手把作用的振动加速度信号。
数据采集模块由信号调理模块和数据采集卡组成，信号调理模块用于对采集的老年人手部承受的原始振动加速度信号进行预处理；数据采集卡将采用信号调理电路处理的老年人手部承受的振动加速度信号数据进行收集；然后，把收集到的老年人手部承受的振动加速度信号数据发送到舒适度评价模块。
调节模块3为阻尼调节模块；包括驱动器、步进电机、阀杆和阀门，驱动器的输入端与中央处理模块的DSP微处理器连接，输出端与步进电机连接，步进电机经阀杆与阀门连接，用于改变节流孔的油液通道截面积，进而改变节流压力，从而增加助老伴行机器人系统的阻尼。
优选的，DSP微处理器选用32位定点数字信号处理器，型号为TMS320F28335。
请参阅图1，本发明一种助老伴行人手振动舒适度调节装置的调节方法，包括以下步骤：
S1、采用振动加速度感知技术，通过安装在老年人手背处的MEMS电容式三轴加速度计DA380实时对老年人手部承受的来自助老伴行机器人手把作用的振动加速度信号进行感知；
S2、对感知到的老年人手部承受的振动加速度信号进行相应放大、滤波的预处理；
其中，通过相应的信号调理模块对采集的老年人手部承受的原始振动加速度信号进行预处理，信号调理模块选用CM3504型；
通过数据采集卡将采用信号调理电路处理的老年人手部承受的振动加速度信号数据进行收集。
S3、通过时域分析法对老年人手部承受的振动加速度信号数据进行特征提取，并对老年人手部承受的振动加速度信号数据进行补偿修正，获取老年人手部承受的振动加速度信号的时域特征-最大值，并将振动加速度参数的相关时域特征用来表征助老伴行人手振动舒适度；
其中，采用粒子群优化-BP神经网络非线性补偿算法对老年人手部承受的振动加速度信号在受到外界干扰时产生的误差进行补偿修正。
S4、根据获取的表征助老伴行人手振动舒适度的振动加速度参数的相关时域特征进行人手振动舒适度评价，并根据人手振动舒适度评价结果，对助老伴行机器人腿部下端支撑处的阻尼进行针对性的调节，以调整老年人手部承受的振动加速度信息，从而达到人手振动舒适度调节的目的。
人手振动舒适度评价为：
通过舒适度评价模块，用振动加速度参数的相关时域特征与其舒适范围比较进行人手振动舒适度评价；
老年人手部承受的振动加速度舒适范围设定为小于1m/s2；
若表征助老伴行人手振动舒适度的振动加速度参数的相关时域特征不在相应的舒适范围内时，表明老年人手部处于不舒适状态，若在相应的舒适范围内时，表明老年人手部处于舒适状态，保持原状。
阻尼调节具体为：
若经过舒适度评价模块判定出老年人手部承受的振动加速度超出其舒适振动加速度范围，通过DSP微处理器计算助老伴行机器人系统需增加其腿部下端支撑处的阻尼值，并发出控制指令到驱动器，驱动器生成脉冲信号至步进电机，驱动步进电机经阀杆调节阀门，使其改变节流孔的油液通道截面积，进而改变节流压力，从而增加助老伴行机器人系统的阻尼，减小老年人手部的振动位移，根据振动强度K降低老年人手部的振动强度，进而调整老年人手部的振动加速度信息，使其达到舒适振动加速度范围之内。
K＝a·s
其中，a表示振动加速度；s表示振动加速度方向上的位移，
振动强度还表示为：
K＝|amax|/g
其中，amax表示振动加速度的最大值；g表示重力加速度。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1、图2和图4，当助老伴行机器人户外辅助老年人行走遇到路面不平或瞬时冲击，会引起老年人手部的局部振动，若振动强度较大会引起老年人手部的不舒适，针对老年人手部的不舒适情况，发明一种助老伴行人手振动舒适度调节方法与装置，助老伴行人手振动舒适度调节方法具体实施过程包括：
(1)通过安装在老年人手背处的MEMS电容式三轴加速度计DA380实时采集老年人手部承受的来自助老伴行机器人手把作用的振动加速度信号。
(2)通过相应的信号调理模块对采集的老年人手部承受的原始振动加速度信号进行预处理；通过数据采集卡将采用信号调理电路处理的老年人手部承受的振动加速度信号数据进行收集。
(3)采用粒子群优化-BP神经网络非线性补偿算法对老年人手部承受的振动加速度信号在受到外界干扰时产生的误差进行补偿修正。
(4)根据获取的表征助老伴行人手振动舒适度的振动加速度参数的相关时域特征进行人手振动舒适度评价，并根据人手振动舒适度评价结果，对助老伴行机器人腿部下端支撑处的阻尼进行针对性的调节，以调整老年人手部承受的振动加速度信息，从而达到人手振动舒适度调节的目的。
请参阅图3，阻尼调节的具体实现方式如下：
若经过舒适度评价模块判定出老年人手部承受的振动加速度超出其舒适振动加速度范围，通过DSP微处理器计算助老伴行机器人系统需增加其腿部下端支撑处的阻尼值，并发出控制指令到驱动器，驱动器生成脉冲信号至步进电机，驱动步进电机经阀杆调节阀门，使其改变节流孔的油液通道截面积，进而改变节流压力，从而增加助老伴行机器人系统的阻尼，减小老年人手部的振动位移，根据振动强度K＝a·s，进而调整老年人手部的振动加速度信息，使其达到舒适振动加速度范围之内。
人手振动舒适度评价的具体实现方式：通过舒适度评价模块，用振动加速度参数的相关时域特征与其舒适范围比较进行人手振动舒适度评价；老年人手部承受的振动加速度舒适范围设定为小于1m/s2；若表征助老伴行人手振动舒适度的振动加速度参数的相关时域特征不在相应的舒适范围内时，表明老年人手部处于不舒适状态，若在相应的舒适范围内时，表明老年人手部处于舒适状态，保持原状。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种助老伴行人手振动舒适度调节装置，其特征在于，包括传感器模块(2)、设置在助老伴行机器人(1)上的数据采集模块、中央处理模块和调节模块(3)，数据采集模块用于接收传感器模块(2)实时采集老年人手部承受的来自助老伴行机器人手把作用的振动加速度信号，经预处理后发送给中央处理模块；中央处理模块根据接收的信号进行人手振动舒适度评价，然后根据评价结果触发调节模块(3)对老年人手部进行舒适度调节。
2.根据权利要求1所述的助老伴行人手振动舒适度调节装置，其特征在于，数据采集模块设置在助老伴行机器人(1)的后备箱(4)内，包括信号调理模块和数据采集卡，信号调理模块通过屏蔽线与传感器模块(2)连接，用于对采集的老年人手部承受的原始振动加速度信号进行预处理；
数据采集卡用于将采用信号调理电路处理的老年人手部承受的振动加速度信号数据进行收集并发送至中央处理模块。
3.根据权利要求1所述的助老伴行人手振动舒适度调节装置，其特征在于，中央处理模块设置在助老伴行机器人(1)的后备箱(4)内，包括舒适度评价模块和DSP微处理器，舒适度评价模块通过DSP微处理器与调节模块(3)连接。
4.根据权利要求3所述的助老伴行人手振动舒适度调节装置，其特征在于，DSP微处理器采用32位定点数字信号处理器，型号为TMS320F28335。
5.根据权利要求1所述的助老伴行人手振动舒适度调节装置，其特征在于，传感器模块2采用MEMS电容式三轴加速度计，设置在老年人手背处。
6.根据权利要求1所述的助老伴行人手振动舒适度调节装置，其特征在于，调节模块3采用阻尼调节方式，安装在助老伴行机器人(1)的腿部下端支撑处。
7.根据权利要求6所述的助老伴行人手振动舒适度调节装置，其特征在于，调节模块3包括驱动器、步进电机、阀杆和阀门，驱动器的输入端与中央处理模块连接，输出端与步进电机连接，步进电机经阀杆与阀门连接，用于改变节流孔的油液通道截面积。
8.一种助老伴行人手振动舒适度调节装置的调节方法，其特征在于，利用权利要求1至7中任一项所述的助老伴行人手振动舒适度调节装置，采用振动加速度感知技术获取老年人手部承受的来自助老伴行机器人手把作用的振动加速度信号，并对获取的振动加速度信号进行特征提取，获取表征助老伴行人手振动舒适度的振动加速度参数的相关变化特征；根据获取的表征助老伴行人手振动舒适度的振动加速度参数的相关变化特征进行人手振动舒适度评价，并根据人手振动舒适度评价结果，对助老伴行机器人腿部下端支撑处的调节模块进行调节，调整老年人手部的振动加速度信息，完成人手振动舒适度调节。
9.根据权利要求8所述的助老伴行人手振动舒适度调节装置，其特征在于，采用时域分析法对老年人手部承受的振动加速度信号数据进行特征提取，采用粒子群优化-BP神经网络非线性补偿算法对老年人手部承受的振动加速度信号数据进行补偿修正，获取老年人手部承受的振动加速度信号的时域特征-最大值，并将振动加速度参数的相关时域特征用来表征助老伴行人手振动舒适度。
10.根据权利要求8或9所述的助老伴行人手振动舒适度调节装置，其特征在于，人手振动舒适度评价具体为：
设定老年人手部承受的振动加速度舒适范围小于1m/s2，采用振动加速度参数的相关时域特征与其舒适范围比较进行人手振动舒适度评价，若表征助老伴行人手振动舒适度的振动加速度参数的相关时域特征不在相应的舒适范围内时，表明老年人手部处于不舒适状态，若在相应的舒适范围内时，表明老年人手部处于舒适状态，保持原状；
若经过舒适度评价模块判定出老年人手部承受的振动加速度超出其舒适振动加速度范围，通过DSP微处理器计算助老伴行机器人系统需增加其腿部下端支撑处的阻尼值，并发出控制指令到驱动器，驱动器生成脉冲信号至步进电机，驱动步进电机经阀杆调节阀门，使其改变节流孔的油液通道截面积，进而改变节流压力，从而增加助老伴行机器人系统的阻尼，减小老年人手部的振动位移，根据振动强度K降低老年人手部的振动强度，调整老年人手部的振动加速度信息，使其达到舒适振动加速度范围之内。
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