CN113804099A - 一种上下肢康复设备多传感器融合角度检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及传感器检测领域，特别涉及一种上下肢康复设备多传感器融合角度检测系统及方法。检测系统包括上位机和与上位机对应引脚连接的增量式编码器、零点传感器；其中增量式编码器用于采集电机转动角度，零点传感器用于检测末端把手上的零点位置，上位机用于处理增量式编码器和零点传感器的信号。本发明的有益效果在于：本发明通过增量式编码器结合零点传感器配合自适应角度算法解决了因减速比不确定和减速器打滑现象导致的末端角度检测不准确。

Description

一种上下肢康复设备多传感器融合角度检测系统及方法
技术领域
本发明涉及传感器检测领域，特别涉及一种上下肢康复设备多传感器融合角度检测系统及方法。
背景技术
随着机械与电子技术发展，机械康复设备在医疗领域发挥越来越重要的作用。在偏瘫康复领域，使用上下肢康复设备配合肢体运动是一种常用的康复治疗手段，可以帮助患者回复神经和肌肉机能。
目前上下肢康复设备采用的是上肢或下肢进行圆周运动，设备通常的运动状态是正向或反向做长时间的圆周运动。同时为了做更复杂的康复控制和评定算法，需要准确检测设备转动的角度，以判断患者在圆周运动中所处角度位置。
检测角度的普遍方案是在电机端加入编码器，通过检测电机转动角度来计算末端把手的角度。但这种方案有两个问题：
1.末端把手绝对角度无法确定：电机和末端把手之间有较大的减速比，把手转动一圈对应着电机转动多圈，所以电机端编码器不论是采用增量式编码器还是绝对式编码器都无法根据电机端编码器计算出末端把手角度。
2.末端把手和电机的相对角度变化(减速比)不能确定：对于减速器，虽然设计时为一个确定的减速比，但实际由于加工工艺、磨损等原因，会导致减速比并不能严格符合设计指标，同批次生产的不同设备之间也可能会有微小差异。这个偏差是必然存在的。由于上下肢康复设备的运动方式是往一个方向做长时间的圆周运动，所以随着转动圈数增加，这个微小的偏差会累积，导致长时间转动后对末端角度检测准确。
3.无法应对减速器发生打滑问题：对于如皮带传送的减速器，是可能发生打滑情况的，随着设备老化，打滑现象越来越容易出现。打滑会导致电机端和末端角度发生偏移，导致末端角度检测不准确。
目前普遍使用的电机端编码器检测角度的方案都会存在以上3点问题，导致无法准确计算末端把手角度，限制了其他功能的进一步开发。
发明内容
为了解决背景技术中的不足，本发明提供了一种上下肢康复设备多传感器融合角度检测系统及方法，具体方案如下：
一种上下肢康复设备多传感器融合角度检测系统，包括上位机和与上位机对应引脚连接的增量式编码器、零点传感器；其中增量式编码器用于采集电机转动角度，零点传感器用于检测末端把手上的零点位置，上位机用于处理增量式编码器和零点传感器的信号。
用于上述检测系统的检测方法，包括以下步骤：
S1、上位机获取增量式编码器和零点传感器采集信息，分析得到当前编码器值、第一次过零点时的增量式编码器值、减速比；
S2、通过自适应角度算法对S1获得的数据进行修正；
S3、使用修正后的数据计算当前末端把手的角度。
具体地说，步骤S2具体为：
零点传感器检测到零点位置后，判断是否第一次过零点，是则记录增量式编码器值，不是则根据当前增量式编码器值、第一次过零点时的增量式编码器值、减速比，估算当前圈数；
Figure BDA0003173401350000021
并判断正向或负向是否到达最大圈数；判断是，则重新计算减速比；
Figure BDA0003173401350000031
并更新记录最大圈数；判断否，则不更新；
计算当前末端把手的角度；
Figure BDA0003173401350000032
将当前末端把手的角度值对360取余数，得到范围在[0，360)之间的角度值angle_mod，并对angle_mod进行判断并进行处理：
当angle_mod范围在(1，180)之间，判断为发生正向偏移，进行正向修正：
Figure BDA0003173401350000033
当angle_mod范围在(180，359)之间，判断为发生负向偏移，进行负向修正：
Figure BDA0003173401350000034
其中n为圈数，其中angle为末端把手的角度、enc为当前增量式编码器值、enc_first为第一次过零点时的增量式编码器值、enc_p_circle为减速比、newenc_p_circle为修正后的减速比、newenc_first为修正后的第一次过零点时的增量式编码器值。
具体地说，步骤S3具体为：
计算修正后的末端把手的角度：
Figure BDA0003173401350000035
其中newangle为修正后的末端把手的角度。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明通过增量式编码器结合零点传感器配合自适应角度算法解决了因减速比不确定和减速器打滑现象导致的末端角度检测不准确。
(2)通过修正减速比和最大圈数，可在每次到达更远处的零点时更新减速比，采用这种方法不会造成减速比误差累积导致角度计算不准确，采用这种方法，转动越多计算的减速比越精确。
(3)通过修正第一次过零点时的编码器值，可在发生正向或负向偏移(打滑)时更新零点位置，保证末端把手检测角度正确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明流程图。
图中标识具体为：
1、上位机；2、增量式编码器；3、零点传感器；4、电机；5、减速器；6末端把手。
具体实施方式
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、完整地说明，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种上下肢康复设备多传感器融合角度检测系统及方法，包括：
一种上下肢康复设备多传感器融合角度检测系统，包括上位机1和与上位机1对应引脚连接的增量式编码器2、零点传感器3；其中增量式编码器2用于采集电机4转动角度，零点传感器3用于检测末端把手6上的零点位置，上位机1用于处理增量式编码器2和零点传感器3的信号。
用于上述检测系统的检测方法包括以下步骤：
S1、上位机1获取增量式编码器2和零点传感器3采集信息，分析得到当前编码器值、第一次过零点时的增量式编码器2值、减速比；
S2、通过自适应角度算法对S1获得的数据进行修正；
S3、使用修正后的数据计算当前末端把手6的角度。
步骤S2具体为：
零点传感器3检测到零点位置后，判断是否第一次过零点，是则记录增量式编码器2值，不是则根据当前增量式编码器2值、第一次过零点时的增量式编码器2值、减速比，估算当前圈数；
Figure BDA0003173401350000051
并判断正向或负向是否到达最大圈数；判断是，则重新计算减速比；
Figure BDA0003173401350000052
并更新记录最大圈数；判断否，则不更新；
计算当前末端把手6的角度；
Figure BDA0003173401350000053
将当前末端把手6的角度值对360取余数，得到范围在[0，360)之间的角度值angle_mod，并对angle_mod进行判断并进行处理：
当angle_mod范围在(1，180)之间，判断为发生正向偏移，进行正向修正：
Figure BDA0003173401350000054
当angle_mod范围在(180，359)之间，判断为发生负向偏移，进行负向修正：
Figure BDA0003173401350000055
其中n为圈数，其中angle为末端把手6的角度、enc为当前增量式编码器2值、enc_first为第一次过零点时的增量式编码器2值、enc_p_circle为减速比、newenc_p_circle为修正后的减速比、newenc_first为修正后的第一次过零点时的增量式编码器2值。
步骤S3具体为：
计算修正后的末端把手6的角度：
Figure BDA0003173401350000061
其中newangle为修正后的末端把手6的角度。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种上下肢康复设备多传感器融合角度检测系统，包括电机(4)、减速器(5)、末端把手(6)，电机(4)通过减速器(5)控制末端把手(6)的旋转，其特征在于，包括上位机(1)和与上位机(1)对应引脚连接的增量式编码器(2)、零点传感器(3)；其中增量式编码器(2)用于采集电机(4)转动角度，零点传感器(3)用于检测末端把手(6)上的零点位置，上位机(1)用于处理增量式编码器(2)和零点传感器(3)的信号。
2.用于权利要求1所述的一种上下肢康复设备多传感器融合角度检测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、上位机(1)获取增量式编码器(2)和零点传感器(3)采集信息，分析得到当前增量式编码器(2)值、第一次过零点时的增量式编码器(2)值、减速比；
S2、通过自适应角度算法对S1获得的数据进行修正；
S3、使用修正后的数据计算当前末端把手(6)的角度。
3.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，步骤S2具体为：
零点传感器(3)检测到零点位置后，判断是否第一次过零点，是则记录增量式编码器(2)值，不是则根据当前增量式编码器(2)值、第一次过零点时的增量式编码器(2)值、减速比，估算当前圈数；
Figure FDA0003173401340000011
并判断正向或负向是否到达最大圈数；判断是，则重新计算减速比；
Figure FDA0003173401340000012
并更新记录最大圈数；判断否，则不更新；
计算当前末端把手(6)的角度；
Figure FDA0003173401340000013
将当前末端把手(6)的角度值对360取余数，得到范围在[0，360)之间的角度值angle_mod，并对angle_mod进行判断并进行处理：
当angle_mod范围在(1，180)之间，判断为发生正向偏移，进行正向修正：
Figure FDA0003173401340000021
当angle_mod范围在(180，359)之间，判断为发生负向偏移，进行负向修正：
Figure FDA0003173401340000022
其中n为圈数，其中angle为末端把手(6)的角度、enc为当前增量式编码器(2)值、enc_first为第一次过零点时的增量式编码器(2)值、enc_p_circle为减速比、newenc_p_circle为修正后的减速比、newenc_first为修正后的第一次过零点时的增量式编码器(2)值。
4.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，步骤S3具体为：
计算修正后的末端把手(6)的角度：
Figure FDA0003173401340000023
其中newangle为修正后的末端把手(6)的角度。
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