CN112621712A - 一种基于模拟式压力传感器的外骨骼足底传感系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于模拟式压力传感器的外骨骼足底传感系统，涉及外骨骼装置技术领域，以解决现有外骨骼足底传感系统体积大、集成度不高，可靠性差的问题。包括智能传感鞋、压力传感器、脚底跟结构板、传感信息采集板、采集板壳体以及连接踝关节结构件；压力传感器安装在智能传感鞋内，脚底跟结构板设置在智能传感鞋跟部的一侧，采集板壳体安装在脚底跟结构板上，传感信息采集板安装在采集板壳体内，传感信息采集板与压力传感器通信连接，连接踝关节结构件设置在采集板壳体上，连接踝关节结构件与外骨骼系统连接。上述传感系统结构简单，集成化程度高，结构和电路可靠性和稳定性高，提高了整机系统的灵便性、可靠性，具有很高的实用性。

Description

一种基于模拟式压力传感器的外骨骼足底传感系统
技术领域
本发明涉及外骨骼装置技术领域，尤其涉及一种基于模拟式压力传感器的外骨骼足底传感系统。
背景技术
柔性外骨骼进几年来得到快速发展，足底传感系统是外骨骼运动意图识别最为关键的部分之一。为提高外骨骼的运动跟随能力，增强人机相容性，改善外骨骼无法同时兼顾步态识别灵敏性和准确性的缺点，要求设计一种高集成的足底传感系统，将鞋体结构、绑缚结构、传感器、信息采集系统一体化设计，使得足底传感系统轻便、安装简单方便。一旦足底传感系统设计不合理，外骨骼就十分笨重，降低人机匹配性和穿戴舒适度，严重制约外骨骼的步态识别的效果。
随着外骨骼技术发展，特别是针对体积、质量、人机工程、步态识别、助力效率等方面的需求，迫切要求柔性外骨骼足底传感系统向集成化、轻量化、高可靠性和舒适性的方向发展。
近几年国内柔性外骨骼研究刚起步，相比国际外骨骼高技术水平，工程化与实用化程度低，离实用尚有较大差距。国内研制的柔性外骨骼足底传感系统体积大、重量重、结构复杂，集成度不高，可靠性差，穿戴舒适度和助力效率都急需提高。
发明内容
本发明提供的基于模拟式压力传感器的外骨骼足底传感系统，通过集成化的设计，将压力传感器和信息采集板集成在一起,整合在鞋上，传感鞋结构紧凑，集成度高，抗偏载能力强，不易损坏，能方便实现足底力的检测；安装和拆卸方便简单，提高了整机系统的灵便性和可靠性。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
提供一种基于模拟式压力传感器的外骨骼足底传感系统，包括智能传感鞋、压力传感器、脚底跟结构板、传感信息采集板、采集板壳体以及连接踝关节结构件；
所述压力传感器安装在所述智能传感鞋内，所述脚底跟结构板设置在所述智能传感鞋跟部的一侧，所述采集板壳体安装在所述脚底跟结构板上，所述传感信息采集板安装在所述采集板壳体内，所述传感信息采集板与所述压力传感器通信连接，所述连接踝关节结构件设置在所述采集板壳体上，所述连接踝关节结构件与外骨骼系统连接。
本发明提供的基于模拟式压力传感器的外骨骼足底传感系统的压力传感器安装在智能传感鞋内，用于检测脚踩踏时施加的力，传感信息采集板能够对压力传感器检测到的力进行接收，进而传递给外骨骼系统。创造性的将机械结构与传感电路集成在一起，有效的提升了外骨骼机器人足底信息传感系统的可靠性和工作稳定性，通过行插对接的通讯方式有效提高通讯线在行走过程中的工作寿命，连接踝关节支撑结构通过连接销子和鞋连接，安装方便简洁，并实现人体足踝冠状面的自由度。上述传感系统结构简单，集成化程度高，降低成本，结构和电路可靠性和稳定性高，抗偏载能力强，不易损坏，能方便实现足底力的检测，安装和拆卸方便简单，提高了整机系统的灵便性、可靠性，具有很高的实用性。
较优的，在上述技术方案中，所述智能传感鞋包括底层橡胶层以及顶层橡胶层；
所述底层橡胶层上设置有传感器凹槽和信号线槽，所述压力传感器安装在所述传感器凹槽内，信号线安装在所述信号线槽内，所述顶层橡胶层与所述底层橡胶层间固定连接。
较优的，在上述技术方案中，所述压力传感器包括足掌压力传感器和足跟压力传感器；
所述传感器凹槽分为足掌传感器凹槽和足跟传感器凹槽，所述足掌压力传感器安装在所述足掌传感器凹槽内，所述足跟压力传感器安装在所述足跟传感器凹槽内，所述足掌压力传感器与所述足跟压力传感器间的连接线安装在所述信号线槽内。
较优的，在上述技术方案中，所述智能传感鞋还包括中间刚性垫片；
所述中间刚性垫片固定安装在所述底层橡胶层以及顶层橡胶层之间。
较优的，在上述技术方案中，所述智能传感鞋还包括人脚绑缚；
所述人脚绑缚安装在所述刚性垫片层上，并向上穿过所述顶层橡胶层。
较优的，在上述技术方案中，所述底层橡胶层的厚度大于所述顶层橡胶层的厚度。
较优的，在上述技术方案中，所述足掌压力传感器所在平面高于所述足跟压力传感器所在平面。
较优的，在上述技术方案中，所述脚底跟结构板朝向所述智能传感鞋的一侧设置有过线孔。
较优的，在上述技术方案中，所述采集板壳体上设置有用于连接线穿过的通孔，所述足掌压力传感器和所述足跟压力传感器的连接线穿过所述过线孔和所述通孔，与所述采集板壳体内的传感信息采集板电连接。
较优的，在上述技术方案中，所述采集板壳体上设置有多个螺纹孔，所述传感信息采集板通过多个所述螺纹孔安装在所述采集板壳体内。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1至图3为本发明提供的基于模拟式压力传感器的外骨骼足底传感系统的示意性框图；
图4为传感器凹槽和信号线槽的示意图。
附图标记：
1-智能传感鞋、11-底层橡胶层、12-中间刚性垫片、13-顶层橡胶层、14- 足掌传感器凹槽、15-足跟传感器凹槽、16-信号线槽、2-足掌压力传感器、3- 足跟压力传感器、4-脚底跟结构板、5-采集板壳体、6-连接踝关节结构件。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”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。
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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1至图4所示，本发明提供的基于模拟式压力传感器的外骨骼足底传感系统，包括智能传感鞋1、压力传感器、脚底跟结构板4、传感信息采集板、采集板壳体5以及连接踝关节结构件6；压力传感器安装在智能传感鞋1 内，脚底跟结构板4设置在智能传感鞋1根部的一侧，采集板壳体5安装在脚底跟结构板4上，传感信息采集板安装在采集板壳体5内，传感信息采集板与压力传感器通信连接，连接踝关节结构件6设置在采集板壳体5上，连接踝关节结构件6与外骨骼系统连接。
具体实施时：
外骨骼控制中需要采集人行走过程中不同步态足底压力的变化数据。智能传感鞋接入外骨骼系统后，当人体处于支撑态时刻，人体足部对鞋底的压力传感器进行施压，由于传感器受到压力，其输出模拟电压也发生变化，通过传输到鞋底的信号采集板，经运算放大器放大，滤波器滤波，输入到单片机自带AD转换器，将模拟信号转换至数字信号，得出的数字信号根据之前的标定系数计算得到相对应的压力值大小，从而根据足底部位所受的压力情况，判断人体处于步态周期的哪一阶段，实现高效步态识别。智能鞋使用的模拟式输出压力传感器是输出值只有几毫伏电压，不能直接用于数据采集处理，所以传感器输出信号必须经过放大才能够满足使用要求。因为传感器输出小信号极易受外界干扰且不稳定，一是要求放大器具有较强的抗共模电压干扰能力，能准确快速地反映压力的变化。二是为传感器提供稳定可靠的电流源，否则电压变化造成的传感器灵敏度变化使传感器稳定性和精度都会降低。
由于传感器表面所受压力和运算放大器输出电压值成线性放大关系，通过采集板AD采集得到数字信号，输入存入到采集板单片机中。在接入外骨骼系统之前，通过相关仪器设备得到传感器不同压力值下输出的相应数字值并记录。我们取压力传感器0kg到量程200kg之间的十个点的值，如0kg，20kg， 40kg…180kg，记录下相应数字值得出标定系数。在实际使用过程中传感器受力值与输出值的线性误差小于3％，适用于反映足掌足跟受力状态，并且信号响应时间小于10us，因此在外骨骼系统中可提供更流畅的步态。
本发明提供的基于模拟式压力传感器的外骨骼足底传感系统的压力传感器安装在智能传感鞋内，用于检测脚踩踏时施加的力，传感信息采集板能够对压力传感器检测到的力进行接收，进而传递给外骨骼系统。创造性的将机械结构与传感电路集成在一起，有效的提升了外骨骼机器人足底信息传感系统的可靠性和工作稳定性，通过行插对接的通讯方式有效提高通讯线在行走过程中的工作寿命，连接踝关节支撑结构通过连接销子和鞋连接，安装方便简洁，并实现人体足踝冠状面的自由度。上述传感系统结构简单，集成化程度高，降低成本，结构和电路可靠性和稳定性高，抗偏载能力强，不易损坏，能方便实现足底力的检测，安装和拆卸方便简单，提高了整机系统的灵便性、可靠性，具有很高的实用性。
作为一种可实施方式，智能传感鞋1包括底层橡胶层11以及顶层橡胶层 13；底层橡胶层11上设置有传感器凹槽和信号线槽16，压力传感器安装在传感器凹槽内，信号线安装在信号线槽16内，顶层橡胶层13与底层橡胶层11 间固定连接。
将传感器和连接线分别安装在传感器凹槽和信号线槽16，方便了对传感器和连接线的安装。
作为一种可实施方式，压力传感器包括足掌压力传感器2和足跟压力传感器3；传感器凹槽分为足掌传感器凹槽14和足跟传感器凹槽15，足掌压力传感器2安装在足掌传感器凹槽14内，足跟压力传感器3安装在足跟传感器凹槽15内，足掌压力传感器2与足跟压力传感器3间的连接线安装在信号线槽16内。
通过对足掌和足跟位置压力的采集，能够更好的对人行走时智能传感鞋1 的受力情况进行检测。
作为一种可实施方式，智能传感鞋1还包括中间刚性垫片12；中间刚性垫片12固定安装在底层橡胶层11以及顶层橡胶层13之间。
由于橡胶层弹性影响传感器的响应速度和实际压值，故设计在传感器表面与顶层橡胶层13的下层之间加个刚性垫片，这样既保证了传感器具有一定的灵敏度同时又有弹性回复。
作为一种可实施方式，智能传感鞋1还包括人脚绑缚；人脚绑缚安装在刚性垫片层上，并向上穿过顶层橡胶层13。
中间一层是用来放置固定人脚的绑缚，参照普通凉鞋，通过螺钉从上层穿过绑带到底层，将绑带固定在中间层，制作成可以快速松解的捆绑结构。
作为一种可实施方式，底层橡胶层11的厚度大于顶层橡胶层13的厚度。
确保了智能传感鞋1的结构稳定性，整体性更强。
作为一种可实施方式，足掌压力传感器2所在平面高于足跟压力传感器3 所在平面。
根据人体在行走过程中前脚掌有弯曲的特点，设计成在前脚掌后脚跟放置传感器处，跟鞋面的平面比略高一些，使得人体行走时传感器的受力状态达到最好。
作为一种可实施方式，脚底跟结构板4朝向智能传感鞋1的一侧设置有过线孔。
过线孔的设置，方便了足掌压力传感器2和足跟压力传感器3与传感信息采集板的连接。
作为一种可实施方式，采集板壳体5上设置有用于连接线穿过的通孔，足掌压力传感器2和足跟压力传感器3的连接线穿过过线孔和通孔，与采集板壳体5内的传感信息采集板电连接。
过线孔和通孔的设置，方便了系统的走线和连接。
作为一种可实施方式，采集板壳体5上设置有多个螺纹孔，传感信息采集板通过多个螺纹孔安装在采集板壳体5内。
螺纹孔的设置，方便了对传感信息采集板的安装固定，安装后的传感信息采集板更加的稳定。
在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于模拟式压力传感器的外骨骼足底传感系统，其特征在于，包括智能传感鞋、压力传感器、脚底跟结构板、传感信息采集板、采集板壳体以及连接踝关节结构件；
所述压力传感器安装在所述智能传感鞋内，所述脚底跟结构板设置在所述智能传感鞋跟部的一侧，所述采集板壳体安装在所述脚底跟结构板上，所述传感信息采集板安装在所述采集板壳体内，所述传感信息采集板与所述压力传感器通信连接，所述连接踝关节结构件设置在所述采集板壳体上，所述连接踝关节结构件与外骨骼系统连接。
2.根据权利要求1所述的基于模拟式压力传感器的外骨骼足底传感系统，其特征在于，所述智能传感鞋包括底层橡胶层以及顶层橡胶层；
所述底层橡胶层上设置有传感器凹槽和信号线槽，所述压力传感器安装在所述传感器凹槽内，信号线安装在所述信号线槽内，所述顶层橡胶层与所述底层橡胶层间固定连接。
3.根据权利要求2所述的基于模拟式压力传感器的外骨骼足底传感系统，其特征在于，所述压力传感器包括足掌压力传感器和足跟压力传感器；
所述传感器凹槽分为足掌传感器凹槽和足跟传感器凹槽，所述足掌压力传感器安装在所述足掌传感器凹槽内，所述足跟压力传感器安装在所述足跟传感器凹槽内，所述足掌压力传感器与所述足跟压力传感器间的连接线安装在所述信号线槽内。
4.根据权利要求2所述的基于模拟式压力传感器的外骨骼足底传感系统，其特征在于，所述智能传感鞋还包括中间刚性垫片；
所述中间刚性垫片固定安装在所述底层橡胶层以及顶层橡胶层之间。
5.根据权利要求4所述的基于模拟式压力传感器的外骨骼足底传感系统，其特征在于，所述智能传感鞋还包括人脚绑缚；
所述人脚绑缚安装在所述刚性垫片层上，并向上穿过所述顶层橡胶层。
6.根据权利要求2所述的基于模拟式压力传感器的外骨骼足底传感系统，其特征在于，所述底层橡胶层的厚度大于所述顶层橡胶层的厚度。
7.根据权利要求3所述的基于模拟式压力传感器的外骨骼足底传感系统，其特征在于，所述足掌压力传感器所在平面高于所述足跟压力传感器所在平面。
8.根据权利要求3所述的基于模拟式压力传感器的外骨骼足底传感系统，其特征在于，所述脚底跟结构板朝向所述智能传感鞋的一侧设置有过线孔。
9.根据权利要求8所述的基于模拟式压力传感器的外骨骼足底传感系统，其特征在于，所述采集板壳体上设置有用于连接线穿过的通孔，所述足掌压力传感器和所述足跟压力传感器的连接线穿过所述过线孔和所述通孔，与所述采集板壳体内的传感信息采集板电连接。
10.根据权利要求9所述的基于模拟式压力传感器的外骨骼足底传感系统，其特征在于，所述采集板壳体上设置有多个螺纹孔，所述传感信息采集板通过多个所述螺纹孔安装在所述采集板壳体内。
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