CN109895065A - 基于油压传感器的测压智能鞋及测压方法 - Google Patents

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程洪
宋广奎
王仕庆
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Abstract

本发明公开了一种基于油压传感器的测压智能鞋及测压方法，包括上层鞋面（101）和下层鞋底（102），上层鞋面（101）和下层鞋底（102）固定连接，上层鞋面（101）和下层鞋底（102）之间设置有测压工具（201），测压工具（201）一端封闭，另一端设有压敏元件（202）。可检测面积大，结构简单可靠，成本较低，避免了使用大量传感器对数据的处理难度较大和不稳定的缺点。

Description

基于油压传感器的测压智能鞋及测压方法
技术领域
本发明涉及外骨骼机器人领域，尤其涉及基于油压传感器的测压智能鞋及测压方法。
背景技术
随着外骨骼机器人技术的不断发展，外骨骼机器人的控制变得越来越重要，越来越智能。外骨骼脚底压力系统是外骨骼实现人机交互、人体与环境交互的重要组成部分。脚底压力能够反映外骨骼系统的运行状态，通过脚底压力的大小及变化情况，可以识别出人体的重心位置及运动趋势，这为外骨骼的控制提供了重要的参考信息。因此有效的测量出能够满足外骨骼控制需求的脚底压力数据，并能够长期稳定运行具有非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种基于油压传感器的测压智能鞋及测压方法，利用鞋底的两根充满液压油并安装有油压传感器的油压管采集人体主要脚底压力，接触面积大，可检测面积也大，结构简单可靠，成本较低；对穿戴者下蹲、站立、行走、上下楼梯时所处的不同模式进行划分，以此作为外骨骼在主动或被动模式下的控制依据，避免了使用大量传感器对数据的处理难度较大和不稳定的缺点。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：基于油压传感器的测压智能鞋，包括上层鞋面和下层鞋底，上层鞋面和下层鞋底固定连接，上层鞋面和下层鞋底之间设置有测压工具，测压工具一端封闭，另一端设有压敏元件。
进一步的，还包括鞋帮，鞋帮与上层鞋面固定连接，鞋帮上设有可调节鞋面扣。
进一步的，下层鞋底开有凹槽，用于放置测压工具。
进一步的，测压工具为油压管，油压管内设有压力传递材料。
进一步的，压敏元件包括压力传感器。
进一步的，压力传感器包括微型高精度油压传感器。
进一步的，油压管的封闭端采用堵头封闭。
进一步的，压力传递材料采用水和不可燃压力油中的任意一种。
进一步的，上层鞋面采用弹性材料和非弹性材料中的任意一种，弹性材料包括橡胶和TPU中的一种，非弹性材料包括铝板。
进一步的，下层鞋底采用弹性材料，包括橡胶和TPU中的任意一种。
进一步的，鞋帮采用弹性材料，包括pp、橡胶和PVC中的任意一种。
进一步的，上层鞋面和下层鞋底固定连接的材料采用子母螺钉或胶水。
基于油压传感器的测压智能鞋用于测压的方法，包括以下步骤：
S1：外骨骼运动使油压管产生形变；
S2：压力油被压缩，产生压力；
S3：压力传感器采集压力并将其转换为电信号，传送到上位机进行处理。
进一步的，步骤S3中所述处理包括以下子步骤：
S31：解算出前后脚掌的相对压力大小及变化情况；
S32：将外骨骼机器人下蹲、站立、行走、上下楼梯时所处的不同模式进行划分。
S32中所述的不同模式划分的具体方式为系统上电启动时，压力传感器先采样N次，求得压力传感器的零偏，并在以后的数据中消去压力传感器的零偏值；分别求出左脚前后两个压力传感器的压力值F1左，F2左，及其总和F左；右脚前后两个压力传感器的压力值F1右，F2右，及其总和F2右。
如果在一定时间S内，F左和F右的波动超过了设定的阈值F3，则判别当前外骨骼处于模式1：行走模式；
如果F左和F右的波动没有超过设定的阈值F，并且F1左、F2左、F1右、F2右也均未超过设定的阈值F，则判别当前外骨骼处于模式2：站立模式；
如果F左和F右的波动没有超过设定的阈值F，但是F1左、F2左、F1右、F2右超过了设定的阈值F，则判别当前外骨骼处于模式3：下蹲模式；
当判断处于行走模式时，进一步判断：
（1）当F左的值大于F右，且F1左的值大于F2左时，处于模式1.1：迈右脚模式；
（2）当F左的值小于F右，且F1右的值大于F2右时，处于模式1.2：迈左脚模式；
当判断处于站立模式时，进一步判断：
（1）当F左与F右的值相等（或其差值未超过设定的阈值）时，处于模式2.1：双脚站立模式；
（2）当F左的值大于F右（或其差值超过了设定的阈值）时，处于模式2.2：左脚站立支撑模式；
（3）当F左的值小于F右（或其差值超过了设定的阈值）时，处于模式2.3：右脚站立支撑模式。
本发明的有益效果是：利用鞋底的两根充满液压油并安装有油压传感器的油压管采集人体主要脚底压力，接触面积大，可检测面积也大，结构简单可靠，成本较低；对穿戴者下蹲、站立、行走、上下楼梯时所处的不同模式进行划分，以此作为外骨骼在主动或被动模式下的控制依据，避免了使用大量传感器对数据的处理难度较大和不稳定的缺点。
附图说明
图1 为本发明的油压管、油压传感器布置示意图。
图2 为本发明的剖视图。
图3是测压智能鞋的一种具体实施方式顶视图。
图4是测压智能鞋的一种具体实施方式剖视图。
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1-4所示，基于油压传感器的测压智能鞋，其特征在于：包括上层鞋面101和下层鞋底102，上层鞋面101和下层鞋底102固定连接，上层鞋面101和下层鞋底102之间设置有测压工具201，测压工具201一端封闭，另一端设有压敏元件202。
还包括鞋帮302，鞋帮302与上层鞋面101固定连接，鞋帮302上设有可调节鞋面扣303。
下层鞋底102开有凹槽，用于放置测压工具201。
测压工具201为油压管，油压管内设有压力传递材料。
压敏元件202包括压力传感器。
油压管的封闭端采用堵头203封闭。
压力传递材料采用水和不可燃压力油中任意的一种。
上层鞋面101采用弹性材料和非弹性材料中的任意一种，弹性材料包括橡胶和TPU中的一种，非弹性材料包括铝板。
下层鞋底102采用弹性材料，包括橡胶和TPU中的任意一种。
鞋帮302采用弹性材料，包括pp、橡胶和PVC中的任意一种。
上层鞋面101和下层鞋底102固定连接的材料采用子母螺钉301或胶水304。
基于油压传感器的测压智能鞋用于测压的方法，包括以下步骤：
S1：外骨骼运动使油压管产生形变；
S2：压力油被压缩，产生压力；
S3：压力传感器202采集压力并将其转换为电信号，传送到上位机进行处理。
步骤S3中所述处理包括以下子步骤：
S31：解算出前后脚掌的相对压力大小及变化情况；
S32：将外骨骼机器人下蹲、站立、行走、上下楼梯时所处的不同模式进行划分。
S32中所述的不同模式划分的具体方式为系统上电启动时，压力传感器202先采样N次，求得压力传感器202的零偏，并在以后的数据中消去压力传感器202的零偏值；分别求出左脚前后两个压力传感器202的压力值F1左，F2左，及其总和F左；右脚前后两个压力传感器202的压力值F1右，F2右，及其总和F2右。
如果在一定时间S内，F左和F右的波动超过了设定的阈值F3，则判别当前外骨骼处于模式1：行走模式；
如果F左和F右的波动没有超过设定的阈值F，并且F1左、F2左、F1右、F2右也均未超过设定的阈值F，则判别当前外骨骼处于模式2：站立模式；
如果F左和F右的波动没有超过设定的阈值F，但是F1左、F2左、F1右、F2右超过了设定的阈值F，则判别当前外骨骼处于模式3：下蹲模式；
当判断处于行走模式时，进一步判断：
（1）当F左的值大于F右，且F1左的值大于F2左时，处于模式1.1：迈右脚模式；
（2）当F左的值小于F右，且F1右的值大于F2右时，处于模式1.2：迈左脚模式；
当判断处于站立模式时，进一步判断：
（1）当F左与F右的值相等（或其差值未超过设定的阈值）时，处于模式2.1：双脚站立模式；
（2）当F左的值大于F右（或其差值超过了设定的阈值）时，处于模式2.2：左脚站立支撑模式；
（3）当F左的值小于F右（或其差值超过了设定的阈值）时，处于模式2.3：右脚站立支撑模式。
本发明所提出的基于油压传感器的测压智能鞋及测压方法，利用鞋底的两根充满液压油并安装有油压传感器的油压管采集人体主要脚底压力，接触面积大，可检测面积也大，结构简单可靠，成本较低；对穿戴者下蹲、站立、行走、上下楼梯时所处的不同模式进行划分，以此作为外骨骼在主动或被动模式下的控制依据，避免了使用大量传感器对数据的处理难度较大和不稳定的缺点。

Claims (10)

1.基于油压传感器的测压智能鞋，其特征在于：包括上层鞋面（101）和下层鞋底（102），上层鞋面（101）和下层鞋底（102）固定连接，上层鞋面（101）和下层鞋底（102）之间设置有测压工具（201），测压工具（201）一端封闭，另一端设有压敏元件（202）。
2.根据权利要求1所述的基于油压传感器的测压智能鞋，其特征在于：还包括鞋帮（302），鞋帮（302）与上层鞋面（101）固定连接，鞋帮（302）上设有可调节鞋面扣（303）。
3.根据权利要求1所述的基于油压传感器的测压智能鞋，其特征在于：所述下层鞋底（102）开有凹槽，用于放置测压工具（201）。
4.根据权利要求1或3所述的基于油压传感器的测压智能鞋，其特征在于：所述测压工具（201）为油压管，油压管的封闭端采用堵头（203）封闭，油压管内设有压力传递材料，压力传递材料采用水和不可燃压力油中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的基于油压传感器的测压智能鞋，其特征在于：所述压敏元件（202）包括微型高精度油压传感器。
6.根据权利要求1所述的基于油压传感器的测压智能鞋，其特征在于：所述上层鞋面（101）采用弹性材料和非弹性材料中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的基于油压传感器的测压智能鞋，其特征在于：所述下层鞋底（102）和鞋帮（302）采用弹性材料。
8.根据权利要求1~7任一所述的基于油压传感器的测压智能鞋用于测压的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：外骨骼运动使油压管产生形变；
S2：压力油被压缩，产生压力；
S3：压力传感器（202）采集压力并将其转换为电信号，传送到上位机进行处理。
9.根据权利要求8所述的基于油压传感器的测压智能鞋用于测压的方法，其特征在于：步骤S3中所述处理包括以下子步骤：
S31：解算出前后脚掌的相对压力大小及变化情况；
S32：将外骨骼机器人下蹲、站立、行走、上下楼梯时所处的不同模式进行划分。
10.根据权利要求9所述的基于油压传感器的测压智能鞋用于测压的方法，其特征在于：步骤S32中所述划分包括以下子步骤：
S321：系统上电启动时，压力传感器（202）先采样N次，求得压力传感器（202）的零偏，并在以后的数据中消去压力传感器（202）的零偏值；
S322：分别求出左脚前后两个压力传感器（202）的压力值F1左，F2左，及其总和F左；右脚前后两个压力传感器（202）的压力值F1右，F2右，及其总和F2右；
S323：在设定时间S内，当F左和F右的波动超过了设定的阈值F，则判别当前外骨骼处于模式1：行走模式，执行步骤S324；当F左和F右的波动没有超过设定的阈值F，并且F1左、F2左、F1右、F2右也均未超过设定的阈值F，则判别当前外骨骼处于模式2：站立模式，执行步骤S325；当F左和F右的波动没有超过设定的阈值F，但是F1左、F2左、F1右、F2右超过了设定的阈值F，则判别当前外骨骼处于模式3：下蹲模式；
S324：当F左的值大于F右，且F1左的值大于F2左时，处于模式1.1：迈右脚模式；当F左的值小于F右，且F1右的值大于F2右时，处于模式1.2：迈左脚模式；
S325：当F左与F右的值相等，或其差值未超过设定的阈值时，处于模式2.1：双脚站立模式；当F左的值大于F右，或其差值超过了设定的阈值时，处于模式2.2：左脚站立支撑模式；当F左的值小于F右，或其差值超过了设定的阈值时，处于模式2.3：右脚站立支撑模式。
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