CN109875831A - 一种人体与外骨骼的交互力测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及力学测量、人机交互领域，具体公开了一种人体与外骨骼的交互力测量方法，包含待测构件和运算组件，待测构件包括外骨骼结构、外骨骼固定座和应力测量构件，应力测量构件的表面设有应变片；运算组件包括放大电路和测量计算模块，应变片通过放大电路与测量计算模块连接。本发明由于力学测量部分可布置于外骨骼固定机架上，通过力量测量构件与应变片结合处产生的受力形变测量人体外侧外骨骼的受力情况，进而计算出人体的交互大小，同时还可以推算出人体关节力矩。测量人体的交互力时无需对外骨骼结构做出改动或者只需微小改动。由于只需要外骨骼固定座卡住人体，有效的解决了现有的外骨骼交互力测量装置结构复杂，佩戴要求高，影响触觉反馈的问题。
Description
技术领域
本发明涉及力学测量、人机交互领域，具体公开了一种人体与外骨骼的交互力测量方法。
背景技术
随着生活水平的提高及生育意识的改变，人口老龄化问题越来越严重，许多老人由于中风等原因造成身体瘫痪，使晚年生活造成极大不便。中风瘫痪患者通过大量的康复训练可以激发大脑可塑性，恢复一定的运动能力，实现生活自理，提高生活质量，最大程度的回归社会，为子女和家人减轻负担。针对中风瘫痪患者的复健，穿戴复健专用的外骨骼机器人是一种行之有效的辅助复健方法。
在医疗康复和人机交互领域，人体与外骨骼机器人的交互力测量非常重要。但是目前的人体与外骨骼设备力传感测量方法均较复杂，需要专门在外骨骼上加装测量结构，佩戴要求较高，并且对于人体的包裹会影响人的触觉反馈。
发明内容
为了克服现有的人体与外骨骼交互力测量方法复杂，佩戴要求较高，且影响人的触觉感知的问题，本发明提供一种人体与外骨骼的交互力测量方法。
本发明采用的技术方案是：一种人体与外骨骼的交互力测量方法，包含待测构件和运算组件，所述待测构件包括设于人体关节外一侧的外骨骼结构和应力测量构件，应力测量构件的表面设有应变片，外骨骼结构远离应力测量构件的一端设有用于将外骨骼结构固定在人体关节另一侧肢体上的外骨骼固定座；运算组件包括放大电路和测量计算模块，应变片通过放大电路与测量计算模块连接；通过上述结构实现交互力测量方法的步骤如下：
S1.根据需要测量的待测构件的形状、材料和参数，通过对机械结构进行仿真分析或者理论计算，在测量计算模块中预设受力点A到活动关节点B的距离L0，受力点A到应变片的距离L，应力测量构件的抗弯截面系数为W，应变片的弹性模量E；
S2.设定所需测量的力为F，人体关节转动时，在瞬时状态下，应力测量构件由于驱动外骨骼结构的带动产生形变，应变片根据应力测量构件的弯曲产生对应的弯曲，测量计算模块读取的应变片的电压信号U；
S3.定义交互力F作用于外骨骼结构对应力测量构件产生的载荷设定为P，P根据应力测量构件进行力学计算或者力学仿真分析得到P＝m(F)；
S4.在载荷P作用下，应变片受到的应力为ε，电压信号U＝u(ε)，函数u由放大电路的放大参数决定，此处所受载荷P关系为P＝f(ε)，函数f由应变片的固定方式以及应变片自身的参数决定；
S5.根据电压信号U计算需测量的交互力F，即F＝m-1(f(u-1(U)))，根据该公式以及待测构件的各参数，在测量计算模块中导入对应算法的程序和参数，并输出运算出的交互力测量结果。
作为优选的，所述的应变片设于应力测量构件的上下两侧对称位置，两片应变片位置上下对称以构成半桥连接。
优选的，所述的应变片旁边还设有用于防止温漂的温度补偿片。
优选的，所述的交互力由人体关节转矩M0提供，而交互力F＝M0/L，同时可求得人体关节转矩M0＝m-1(f(u-1(U)))*L。
本发明的有益效果是：本发明由于力学测量部分可布置于外骨骼固定机架上，远离外骨骼与运动肢体的接触端，通过力量测量构件与应变片结合处产生的受力形变测量人体外侧外骨骼的受力情况，进而计算出人体的交互大小，同时还可以推算出人体关节力矩，用于医学上的肌张力、主动肌力评估。测量人体的交互力时无需对外骨骼结构做出改动或者只需微小改动。由于只需要外骨骼固定座卡住人体，无需包裹或捆绑人体，佩戴方便。有效的解决了现有的外骨骼交互力测量装置结构复杂，佩戴要求高，影响触觉反馈的问题。
附图说明
图1是本发明的测量设备示意图。
图2是本发明的一种测量设备实施例图。
图3是本发明的设备架构示意图。
图中：1、人体关节，2、外骨骼固定座，3、外骨骼结构，4、应力测量构件，5、应变片。
具体实施方式
参见图1至图3，本发明是一种人体与外骨骼的交互力测量方法，包含待测构件和运算组件，所述待测构件包括设于人体关节1外一侧的外骨骼结构3和应力测量构件4，应力测量构件4的上下两侧对称位置均设有应变片5，两片应变片5位置上下对称以构成半桥连接；外骨骼结构3远离应力测量构件4的一端设有用于将外骨骼结构3固定在人体关节1另一侧肢体上的外骨骼固定座2；运算组件包括放大电路和测量计算模块，应变片5通过放大电路与测量计算模块连接。
其中放大电路与测量计算模块之间用过模数转化电路将模拟信号装换成数字信号，供测量计算模块计算，测量计算模块的计算结果通过外接的显示屏显示，或者通过数据信号发送给其他电子设备显示或计算分析。
通过上述结构实现交互力测量方法的步骤如下：
S1.根据需要测量的待测构件的形状、材料和参数，通过对机械结构进行仿真分析或者理论计算，在测量计算模块中预设受力点A到活动关节点B的距离L0，受力点A到应变片5的距离L，应力测量构件4的抗弯截面系数为W，应变片5的弹性模量E；
S2.设定所需测量的力为F，人体关节1转动时，在瞬时状态下，应力测量构件4由于驱动外骨骼结构3的带动产生形变，应变片5根据应力测量构件4的弯曲产生对应的弯曲，测量计算模块读取的应变片5的电压信号U；
S3.定义交互力F作用于外骨骼结构3对应力测量构件4产生的载荷设定为P，P根据应力测量构件4进行力学计算或者力学仿真分析得到P＝m(F)；
S4.在载荷P作用下，应变片5受到的应力为ε，电压信号U＝u(ε)，函数u由放大电路的放大参数决定，此处所受载荷P关系为P＝f(ε)，函数f由应变片5的固定方式以及应变片5自身的参数决定；
S5.根据电压信号U计算需测量的交互力F，即F＝m-1(f(u-1(U)))，根据该公式以及待测构件的各参数，在测量计算模块中导入对应算法的程序和参数，并输出运算出的交互力测量结果。
本发明的测量方法可用在任意包含有受力刚性结构的外骨骼机械结构上，无需对结构改造的测量出人体关节1的交互力或者人体关节1的驱动力，用于交互或者医学评估。
本发明的外骨骼结构3不限于具体的结构形式，只要包含受力的刚性结构可以用于粘贴应变片5即可。
通过以上步骤，即可在任意包含有受力刚性结构的外骨骼机械结构上，通过应变片贴附的应力测量构件的形变测量交互力，无需对结构改造的测量出手部的交互力，或者手指关节驱动力，用于交互或者医学评估。
参见图2，本实施例是如图的左手食指与机械外骨骼交互力的测量构件简化模型，通过对机械结构进行仿真分析与计算，可以得到所需测量的力F(F为广义力，这里表示待测量值，包括手指与外骨骼结构3的交互力)作用下，所选应力测量构件4受力情况P(P同样为广义力，表示所选构件受载情况)的拟合函数：P＝m(F)。
手部关节点B以M0的转矩运动时，测量得出手指受力点与节点B的距离为L0，手部驱动点B处外骨骼将受到手的力为F，则F＝M0/L0，假设此处L0＝10mm。选定合适的应力测量构件，选择标准为方便布置应变片，并且结构所受力由手指对外骨骼产生的力直接影响，此处所选为外骨骼驱动与机架连接结构2。外骨骼结构在力F加载情况下，对构件4产生载荷P。P由对具体机构进行力学计算或者力学仿真分析得到，该所选测量构件受力情况可以简化为一个纯弯矩，表达式为P＝m(F)＝F×L，此实施例中L为20mm。
由于所选应力测量构件4承受纯弯矩，假设此应力测量构件4的抗弯截面系数为W，假设此处为宽b＝3mm高h＝2mm的矩形，则W＝b×h2/6＝2mm^3，应变片布置为上下对称的两片，构成半桥连接。在纯弯矩载荷作用下，应变片受到的应力为ε，假设材料为合金钢，弹性模量E＝210GPa，与此处所受载荷P关系为P＝f(ε)＝EWε/2。
设计放大电路，对应变片产生的形变信号进行放大，选取合适的放大系数K1。电路将测量出来的形变量转换为电压信号U＝u(ε)＝K1×ε，其中函数u为由应变片自身参数以及粘贴方式决定的形变量与电压的关系函数，此实施例中K1＝10000，因此U＝10000×ε。
测量计算模块包含测量和计算所需的硬件和软件。硬件部分为可编程数字电路，可用电脑代替。测量计算模块通过模数转换得到放大电路中电压信号U的数值，根据电压信号U计算需测量的手部力F，及F＝m^(-1)(f(U/K1))；其中，m-1为m的反函数。
此实施例中，P＝EWε/2＝EWU/(2×K1)，F＝m^(-1)(P)＝P/L，所测力手部交互力F＝EWU/(2×K1×L)，带入实施例中的具体数值，F＝210GPa×(2/mm)×U/(2×10000×20mm)＝1.05×U(N/V)。同时，由于此处交互力由手指关节转矩M0提供，由F＝M0/L0，同理可求得M0＝2.1×U(N×mm/V)。若此实施例中，电压读数为2V，则可计算手部交互力为2.1N，手部关节提供转矩为4.2N×mm。
当实际测量过程中，因为测量是的温度会产生变化，因此应变片5旁边还设有用于防止温漂的温度补偿片。
Claims (4)
1.一种人体与外骨骼的交互力测量方法，其特征是：包含待测构件和运算组件，所述待测构件包括设于人体关节(1)外一侧的外骨骼结构(3)和应力测量构件(4)，应力测量构件(4)的表面设有应变片(5)，外骨骼结构(3)远离应力测量构件(4)的一端设有用于将外骨骼结构(3)固定在人体关节(1)另一侧肢体上的外骨骼固定座(2)；运算组件包括放大电路和测量计算模块，应变片(5)通过放大电路与测量计算模块连接；
通过上述结构实现交互力测量方法的步骤如下：
S1.根据需要测量的待测构件的形状、材料和参数，通过对机械结构进行仿真分析或者理论计算，在测量计算模块中预设受力点A到活动关节点B的距离L0，受力点A到应变片(5)的距离L，应力测量构件(4)的抗弯截面系数为W，应变片(5)的弹性模量E；
S2.设定所需测量的力为F，人体关节(1)转动时，在瞬时状态下，应力测量构件(4)由于驱动外骨骼结构(3)的带动产生形变，应变片(5)根据应力测量构件(4)的弯曲产生对应的弯曲，测量计算模块读取的应变片(5)的电压信号U；
S3.定义交互力F作用于外骨骼结构(3)对应力测量构件(4)产生的载荷设定为P，P根据应力测量构件(4)进行力学计算或者力学仿真分析得到P＝m(F)；
S4.在载荷P作用下，应变片(5)受到的应力为ε，电压信号U＝u(ε)，函数u由放大电路的放大参数决定，此处所受载荷P关系为P＝f(ε)，函数f由应变片(5)的固定方式以及应变片(5)自身的参数决定；
S5.根据电压信号U计算需测量的交互力F，即F＝m-1(f(u-1(U)))，根据该公式以及待测构件的各参数，在测量计算模块中导入对应算法的程序和参数，并输出运算出的交互力测量结果。
2.根据权利要求1所述的一种人体与外骨骼的交互力测量方法，其特征是：所述的应变片(5)设于应力测量构件(4)的上下两侧对称位置，两片应变片(5)位置上下对称以构成半桥连接。
3.根据权利要求1所述的一种人体与外骨骼的交互力测量方法，其特征是：所述的应变片(5)旁边还设有用于防止温漂的温度补偿片。
4.根据权利要求1所述的一种人体与外骨骼的交互力测量方法，其特征是：所述的交互力由人体关节(1)转矩M0提供，而交互力F＝M0/L，同时可求得人体关节(1)转矩M0＝m-1(f(u-1(U)))*L。
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6042555A (en) * | 1997-05-12 | 2000-03-28 | Virtual Technologies, Inc. | Force-feedback interface device for the hand |
| JP2015206777A (ja) * | 2014-04-21 | 2015-11-19 | 満 馬場 | 踏力検知センサー |
| CN205353196U (zh) * | 2016-01-26 | 2016-06-29 | 西北农林科技大学 | 一种电动多旋翼飞行器力效测试装置 |
| CN207502084U (zh) * | 2017-09-06 | 2018-06-15 | 江苏恒毅运控智能设备科技有限公司 | 力的测量电路和力的测量电路系统 |
| CN108553834A (zh) * | 2018-06-25 | 2018-09-21 | 广州康医疗设备实业有限公司 | 一种等速肌力训练系统及其控制方法 |
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6042555A (en) * | 1997-05-12 | 2000-03-28 | Virtual Technologies, Inc. | Force-feedback interface device for the hand |
| JP2015206777A (ja) * | 2014-04-21 | 2015-11-19 | 満 馬場 | 踏力検知センサー |
| CN205353196U (zh) * | 2016-01-26 | 2016-06-29 | 西北农林科技大学 | 一种电动多旋翼飞行器力效测试装置 |
| CN207502084U (zh) * | 2017-09-06 | 2018-06-15 | 江苏恒毅运控智能设备科技有限公司 | 力的测量电路和力的测量电路系统 |
| CN108553834A (zh) * | 2018-06-25 | 2018-09-21 | 广州康医疗设备实业有限公司 | 一种等速肌力训练系统及其控制方法 |
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