CN118058951A - 一种基于足压传感器的重心调节装置及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于步行辅助技术领域，提供了一种基于足压传感器的重心调节装置及其实现方法，其中，基于足压传感器的重心调节装置包括检测人体左右脚压力的感测部，以检测出的压力为基础生成控制信号的控制器，以及根据上述控制信号控制重心驱动的重心平衡控制单元，感测部包括左足感测单元和右足感测单元。根据本发明，压力传感器安装在鞋垫上，并且基于从压力传感器输出的脚底的压力运动状态，控制器控制重心轴动作，可以帮助佩戴者在行走时保持重心。

Description

一种基于足压传感器的重心调节装置及其实现方法

技术领域

本发明属于步行辅助技术领域，具体的说，是涉及一种基于足压传感器的重心调节装置及其实现方法。

背景技术

步行辅助装置主要针对移动性有限的人、因运动能力有限而不能独立移动的人、上身功能正常但丧失部分下肢功能的人。步行辅助装置大多具有传递步行动力的结构，例如电动机、框架、减速器、电池等装置的组合结构，例如：韩国公开专利公告第10-2019-0004854号，穿戴式肌肉辅助装置及其控制方法，韩国注册专利公告第10-1988078号，穿戴式肌肉辅助装置，韩国注册专利公告第10-2163284号，穿戴式机器人及其控制方法；然而，当上述装置佩戴在人体上行走时，由于其重量原因，会导致穿戴者行走姿势可能不正确，影响步行辅助装置的使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于足压传感器的重心调节装置，以解决现有技术所存在的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种基于足压传感器的重心调节装置，包括检测人体左右脚压力的感测部，以检测出的压力为基础生成控制信号的控制器，以及根据上述控制信号控制重心驱动的重心平衡控制单元；其中，所述感测部包括左足感测单元和右足感测单元，所述左足感测单元包括一个设置在左足后侧的后侧压力传感器，一个设置在左足前内侧的前内侧压力传感器，一个设置在左足前外侧的前外侧压力传感器；右足感测单元包括一个设置在右足后侧的后侧压力传感器，一个设置在右足前内侧的前内侧压力传感器，一个设置在右足前外侧的前外侧压力传感器。

在一种实施方案中，所述控制器包括检测压力传感器的压力移动状态、生成触发信号的压力运动检测单元、计算步行支撑动作时左右脚地面支撑共享时间的共享时间计算部、控制重心移动的重心轴驱动部。

在一种实施方案中，当所有压力传感器输出压力信号时，所述压力运动检测单元生成左右触发信号，当前内侧压力传感器和前外侧压力传感器同时输出压力信号时，所述压力运动检测单元生成启动触发信号。

在一种实施方案中，所述重心平衡控制单元包括重心轴，和用于驱动所述重心轴的电机和驱动器，所述电机与所述控制器通信。

为了实现上述目的，本发明还提供了基于足压传感器的重心调节装置的实现方法，包括：

步骤S1：基于感测部，采集足底压力数据，并反馈至控制器；

步骤S2：控制器的压力运动检测单元根据接收到的压力数据，生成触发信号，控制器的共享时间计算部据接收到的压力数据，计算左脚、右脚与地面接触的共享时间；

步骤S3：触发信号和共享时间输出至控制器的重心轴驱动部，重心轴驱动部根据触发信号生成控制重心轴运动的驱动时间，根据共享时间生成控制重心轴的移动方向；

步骤S4：重心轴驱动部基于驱动时间和移动方向，控制重心平衡控制单元运动，实现保持重心。

在一种实施方案中，所述步骤S1的具体方法如下：

步行时

步骤①：后侧压力传感器输出压力信号；

步骤②：所有压力传感器输出压力信号；

步骤③：前内侧压力传感器和前外侧压力传感器输出压力信号；

步骤④：前内侧压力传感器输出压力信号。

在一种实施方案中，所述步骤S2中的触发信号包括左右触发信号和启动触发信号，当所有压力传感器输出压力信号时，生成左右触发信号，当前内侧压力传感器和前外侧压力传感器同时输出压力信号时，生成启动触发信号。

与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

根据本发明，压力传感器安装在鞋垫上，并且基于从压力传感器输出的脚底的压力运动状态，控制器控制重心轴动作，可以帮助佩戴者在行走时保持重心。

附图说明

图1是本发明的原理框图。

图2是本发明中感测部的原理示意图。

图3为不同步行速度的人体姿势。

图4为步行时人体重心的轨迹。

图5为根据普通步行和快速行走的左右脚支撑动作和摆动动作。

图6为步行时根据支撑动作产生的传感器的压力移动状态。

图7为本发明中重心平衡控制单元的重心轴工作原理示意图。

图8为重心平衡控制单元的结构示意图。

其中，附图标记对应的名称如下：100-感测部；200-控制器；300-重心平衡控制单元；

1001-左足感测单元、1002-右足感测单元；1003-后侧压力传感器、1004-前内侧压力传感器、1005-前外侧压力传感器；

压力运动检测单元、220-共享时间计算部、230-重心轴驱动部；

重心轴；320-电机；330-十字滑台。

具体实施方式

为了使得本领域技术人员对本发明有更清晰的认知和了解，以下结合实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当知晓的，下述所描述的具体实施例只是用于解释本发明，方便理解，本发明所提供的技术方案并不局限于下述实施例所提供的技术方案，实施例所提供的技术方案也不应当限制本发明的保护范围。

除非另外定义，本申请公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。位置关系词“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等是依据说明书附图的布局方向确定，其仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

实施例

如图1~8所示，本实施例提供了一种基于足压传感器的重心调节装置，包括检测人体左右脚(foot)压力的感测部，以检测出的压力为基础生成控制信号的控制器，以及根据上述控制信号控制重心驱动的重心平衡控制单元；其中，控制器和重心平衡控制单元可以以背包的形式配置在人体的背上，即，控制器和重心平衡控制单元装置在一个背包里，然后背在人体的背上，或者，控制器和重心平衡控制单元的外壳设计为一个整体的背包结构，再背在人体的背上。

本实施例中，感测部包括左足感测单元和右足感测单元，进一步的，左足感测单元和右足感测单元以鞋垫形式分别安装在左侧鞋和右侧鞋内，左足感测单元和右足感测单元检测步行时从人体脚施加的压力，这种压力可能发生在鞋子紧贴地面的时候。

本申请发明人对人体步行的脚底压力状态进行了研究，其研究结果如下：如图6所示，显示了步行时根据支撑动作产生的压力传感器的压力移动状态；如①所示，步行时脚后部优先落地；之后，如②所示,脚底的整个区域与地面接触；接着，如③所示，脚底的左右前端紧贴地面，最后如④所示，拇指和食指的内侧部分紧贴地面。

基于上述研究结果，为得到更贴合实际的压力采集数据，以可实现本申请之目的，本实施例提出了具有创造性的压力传感器设置方式，具体如下：左足感测单元和右足感测单元均采用足压传感器，型号均采用相同型号，以保证数据采集的同步性和精确性，二者的传感器数量及安装方式如下：左足感测单元包括有一个设置在后侧的后侧压力传感器，一个设置在前内侧的前内侧压力传感器，一个设置在前外侧的前外侧压力传感器；右足感测单元包括有一个设置在后侧的后侧压力传感器，一个设置在前内侧的前内侧压力传感器，一个设置在前外侧的前外侧压力传感器；具体的说，后侧压力传感器设置在脚后跟（脚部）区域，前内侧压力传感器安装在大拇指和食指脚趾（脚部）内侧区域，前外侧压力传感器安装在无名指和小拇趾（脚部）内侧区域。

本申请的感测部根据行走时的支撑动作来检测压力，在支撑操作中，压力变化为①步骤，后侧压力传感器输出压力信号，②步骤，所有压力传感器输出压力信号，③步骤，前内侧压力传感器和前外侧压力传感器输出压力信号，④步骤，前内侧的压力传感器输出压信号，在这种支撑动作之后，它导致摆动动作。

本实施例中的压力传感器与控制器之间实现通信，其可以通过无线或有线通信连接到控制器。控制器接收感测部反馈的压力信号，并以此为基础控制重心平衡控制单元。

本申请发明人对人体步行状态进行了研究，并得出以下研究结论：

如图3所示，通常步行时，人体具有与地面垂直的状态(NS)，与此不同的，快速行走或奔跑时，人体会处于向前进方向倾斜的状态(RS)。步行由脚落地面的支撑动作和远离地面的摆动动作组成，步行时左右脚交替进行支撑动作和摆动动作。如图4所示，显示了步行时人体重心的轨迹。步行时人体的重心(WL)在左脚支撑的期间向左移动,在右脚支撑的期间向右移动，即步行时人体的重心向左右交替移动。如图5所示，显示了根据普通步行和快速步行进行的左右两侧脚的支撑动作和摆动动作。其中，图5(a)显示了正常行走时左脚(LF)和右脚(RF)的地面着地时间(GT)和离地时间(ST)，图5(b)显示了快速行走时左脚(LF)和右脚(RF)的地面着地时间和离地时间(GT)。通过上述可知，步行时左脚和右脚同时支撑地面的共享时间(TCN)比快速步行时左脚和右脚同时支撑地面的共享时间(TCF)长。

基于上述研究结果，本实施例中控制器包括检测压力传感器的压力移动状态、生成触发信号的压力运动检测单元、计算步行支撑动作时左右脚地面支撑共享时间的共享时间计算部、控制重心移动的重心轴驱动部。

压力运动检测单元从安装在左右鞋上的压力传感器检测到的压力信号中检测压力运动状态。在行走时的支撑动作中可以检测到压力运动状态，即接收到对应压力传感器的压力检测信号，需要说明的是，在摆动动作中检测不到压力信号。压力移动状态是基于压力传感器与前述说明的①，②，③，④阶段相对应的压力信号而获得的，压力运动检测单元会从上述压力移动状态中生成触发信号。触发信号由左右触发信号和起始触发信号组成；具体来说，当所有压力传感器输出压力信号时生成左右触发信号，当前内侧压力传感器和前外侧压力传感器同时输出压力信号时生成启动触发信号。以这种方式生成的触发信号被输出到重心轴驱动部。

共享时间计算部根据步行时的支撑动作计算左右脚与地面接触的时间。上述共享时间是后侧压力传感器和前内侧压力传感器均输出压力信号的时间。从上述共有时间可以得出步行者的步行速度。

重心轴驱动单元基于上述触发信号控制重心轴的驱动时间，并且基于计算的共享时间控制重心轴的移动方向，即前后左右移动。

作为实例，根据上述左右触发信号确定重心轴的左右驱动时间点，并且根据起始触发信号确定重心轴的前后驱动时间点。另外，重心轴驱动部根据步行速度控制重心轴的移动位移。由于惯性，重心很难快速移动，因此，如果是快速步行，最好限制重心移动范围。

需要说明的是，本实施例中，控制器包括有CPU，型号为三星artik-710，控制器的硬件结构采用现有成熟的硬件结构，上述功能模块（压力运动检测单元、共享时间计算部、重心轴驱动单元），可以集成于CPU，故在此对其硬件结构不作赘述。

重心平衡控制单元包括重心轴，用于驱动重心轴动作的电机和驱动器；如图7所示，重心轴在有限的空间区域内执行前后左右操作。需要说明的是，重心轴的动作由电机和驱动器驱动，控制重心轴前后左右位移，其结构有多种，例如：如图8所示，驱动器采用十字滑台，电机采用两个，一个控制前后动作、一个控制左右动作；重心轴驱动单元则用于控制驱动重心轴的电机，电机与控制器之间实现通信。

重心轴根据控制器的重心轴驱动部的控制信号前后左右移动；通过该设置，可以纠正步行时偏重的重心。通过上述设置，将压力传感器安装在鞋垫上，并设置在适配的位置处，基于从压力传感器输出的脚底的压力移动状态，控制器控制重心轴动作，可以在行走时保持重心。

实施例

本实施例提供了实施例1所提供的基于足压传感器的重心调节装置的实现方法，包括：

步骤S1：基于感测部，采集足底压力数据，并反馈至控制器，采集方法如下：步骤①：后侧压力传感器输出压力信号；步骤②：所有压力传感器输出压力信号；步骤③：前内侧压力传感器和前外侧压力传感器输出压力信号；步骤④：前内侧压力传感器输出压信号。

步骤S2：控制器的压力运动检测单元根据接收到的压力数据，生成触发信号，控制器的共享时间计算部据接收到的压力数据，计算左脚、右脚与地面接触的共享时间；其中，触发信号包括左右触发信号和启动触发信号，当所有压力传感器输出压力信号时，生成左右触发信号，当前内侧压力传感器和前外侧压力传感器同时输出压力信号时，生成启动触发信号。

步骤S3：触发信号和共享时间输出至控制器的重心轴驱动部，重心轴驱动部根据触发信号生成控制重心轴运动的驱动时间，根据共享时间生成控制重心轴的移动方向；驱动时间和移动方向共同构成重心平衡控制单元运动的控制命令。

步骤S4：重心轴驱动部基于驱动时间和移动方向，控制重心平衡控制单元运动，实现保持重心；重心平衡控制单元运动包括有重心轴，用于驱动重心轴动作的电机和驱动器；如图7所示，重心轴在有限的空间区域内执行前后左右操作。需要说明的是，重心轴的动作由电机和驱动器驱动，控制重心轴前后左右位移，其结构有多种，例如：如图8所示，驱动器采用十字滑台，电机采用两个，一个控制前后动作、一个控制左右动作；重心轴驱动单元则用于控制驱动重心轴的电机，电机与控制器之间实现通信。

以上所述即为本发明的优选实施方案。应当说明的是，本领域技术人员，在不脱离本发明的设计原理及技术方案的前提下，还可以作出若干的改进，而这些改进也应当视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于足压传感器的重心调节装置，其特征在于：包括检测人体左右脚压力的感测部(100)，以检测出的压力为基础生成控制信号的控制器(200)，以及根据上述控制信号控制重心驱动的重心平衡控制单元(300)；其中，所述感测部(100)包括左足感测单元(1001)和右足感测单元(1002)，所述左足感测单元(1001)包括一个设置在左足后侧的后侧压力传感器（1003），一个设置在左足前内侧的前内侧压力传感器（1004），一个设置在左足前外侧的前外侧压力传感器（1005）；右足感测单元(1002)包括一个设置在右足后侧的后侧压力传感器（1003），一个设置在右足前内侧的前内侧压力传感器（1004），一个设置在右足前外侧的前外侧压力传感器（1005）。

2.根据权利要求1所述的基于足压传感器的重心调节装置，其特征在于：所述控制器(200)包括检测压力传感器的压力移动状态、生成触发信号的压力运动检测单元(210)、计算步行支撑动作时左右脚地面支撑共享时间的共享时间计算部(220)、控制重心移动的重心轴驱动部(230)。

3.根据权利要求2所述的基于足压传感器的重心调节装置，其特征在于：当所有压力传感器输出压力信号时，所述压力运动检测单元(210)生成左右触发信号，当前内侧压力传感器和前外侧压力传感器同时输出压力信号时，所述压力运动检测单元(210)生成启动触发信号。

4.根据权利要求3所述的基于足压传感器的重心调节装置，其特征在于：所述重心平衡控制单元(300)包括重心轴（310），和用于驱动所述重心轴（310）的电机和驱动器，所述电机与所述控制器通信。

5.如权利要求1~4任一项所述的基于足压传感器的重心调节装置的实现方法，其特征在于，包括：

步骤S1：基于感测部，采集足底压力数据，并反馈至控制器；

步骤S2：控制器的压力运动检测单元根据接收到的压力数据，生成触发信号，控制器的共享时间计算部据接收到的压力数据，计算左脚、右脚与地面接触的共享时间；

步骤S3：触发信号和共享时间输出至控制器的重心轴驱动部，重心轴驱动部根据触发信号生成控制重心轴运动的驱动时间，根据共享时间生成控制重心轴的移动方向；

步骤S4：重心轴驱动部基于驱动时间和移动方向，控制重心平衡控制单元运动，实现保持重心。

6.根据权利要求5所述的基于足压传感器的重心调节装置的实现方法，其特征在于：所述步骤S1的具体方法如下：

步行时

步骤①：后侧压力传感器输出压力信号；

步骤②：所有压力传感器输出压力信号；

步骤③：前内侧压力传感器和前外侧压力传感器输出压力信号；

步骤④：前内侧压力传感器输出压力信号。

7.根据权利要求6所述的基于足压传感器的重心调节装置的实现方法，其特征在于：所述步骤S2中的触发信号包括左右触发信号和启动触发信号，当所有压力传感器输出压力信号时，生成左右触发信号，当前内侧压力传感器和前外侧压力传感器同时输出压力信号时，生成启动触发信号。