一種用于外骨骼控制的足底壓力測(cè)量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于外骨骼控制的足底壓力測(cè)量裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人變得越來越智能，外骨骼機(jī)器人是一種能為人類提供強(qiáng)大“體力”的高度智能裝備，在康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域，外骨骼機(jī)器人能幫助截癱患者進(jìn)行行走訓(xùn)練，延緩肌肉萎縮，通過訓(xùn)練康復(fù)，外骨骼能幫助患者像正常人一樣行走，給截癱患者帶來了極大的便利，讓他們重新站立起來。其他方面，外骨骼也有廣闊的應(yīng)用前景，例如消防、抗震救災(zāi)等。外骨骼足部是外骨骼與環(huán)境交互的載體，足底壓力能反映外骨骼系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，通過測(cè)量外骨骼雙腳的足底壓力，結(jié)合零力矩方法可以解算出外骨骼的重心位置及變化情況，還可以根據(jù)足底壓力的大小及其變化情況識(shí)別出外骨骼的當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，綜上所述，足底壓力大小情況能為外骨骼控制提供重要的參考信息，因此，準(zhǔn)確測(cè)量出能滿足外骨骼控制需求的足底壓力數(shù)據(jù)十分重要，本發(fā)明旨在提供一種用于外骨骼控制的足底壓力測(cè)量裝置及測(cè)量方法。
[0003]在本領(lǐng)域中，已公開的專利號(hào)為CN2540911Y的名為“平板式足底壓力分布測(cè)量裝置”的專利，該裝置由200個(gè)微型壓力傳感器構(gòu)成傳感器陣列，傳感器微弱信號(hào)經(jīng)放大后送給計(jì)算機(jī)處理，計(jì)算機(jī)對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)處理，然后將數(shù)據(jù)存入硬盤;該裝置主要用于檢測(cè)糖尿病人足底壓力分布情況，該裝置測(cè)量快速方便、精度高，能預(yù)測(cè)糖尿病足的發(fā)生。但是，該專利也有一些不足之處:(I)傳感器陣列采用200個(gè)壓力傳感器組成，數(shù)據(jù)處理量大，采樣率較低；(2)該裝置為平板式，體積大，相對(duì)笨重，穿戴不方便，不適合用于采集外骨骼機(jī)器人足底壓力來作為實(shí)時(shí)控制信息。
[0004]外骨骼機(jī)器人足底壓力鞋采用橡膠和金屬聯(lián)合制成，由于橡膠傳導(dǎo)壓力的非線性，使壓力傳感器的受壓環(huán)境變得很復(fù)雜，當(dāng)穿戴者穿上外骨骼站立或者行走時(shí)，足底各個(gè)部分的壓力變化也是非線性的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于外骨骼控制的足底壓力測(cè)量裝置及方法，在外骨骼機(jī)器人足底主要受力位置鋪設(shè)四片薄膜壓力傳感器，用于采集外骨骼足底主要受力位置的壓力，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；同時(shí)對(duì)穿戴者穿上外骨骼站立和行走過程中的不同模式進(jìn)行劃分，將靜止站立模式細(xì)分為雙腳支撐、左腳支撐和右腳支撐模式;將行走模式細(xì)分為邁左腿行走和邁右腿行走模式，針對(duì)不同的模式對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的處理從而實(shí)現(xiàn)用盡可能少的壓力傳感器測(cè)量出能滿足外骨骼控制需求的足底壓力值。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:一種用于外骨骼控制的足底壓力測(cè)量裝置，包括測(cè)量裝置壓力鞋，所述的測(cè)量裝置壓力鞋的內(nèi)部對(duì)應(yīng)跖骨和距骨的位置分別設(shè)置有四片壓力傳感器，所述的壓力傳感器產(chǎn)生微弱電信號(hào)，中央處理器對(duì)所述微弱電壓信號(hào)進(jìn)行采集并進(jìn)行處理;所述處理包括利用零力矩點(diǎn)解算出外骨骼的重心位置及變化情況，然后將外骨骼站立和行走時(shí)所處的不同模式進(jìn)行劃分:將靜止站立模式細(xì)分為雙腳支撐、左腳支撐和右腳支撐模式;將行走模式細(xì)分為邁左腿行走和邁右腿行走模式;對(duì)應(yīng)不同模式下對(duì)不同壓力傳感器數(shù)據(jù)采用不同權(quán)值的方法測(cè)量外骨骼足底壓力。
[0007]所述測(cè)量裝置壓力鞋從下到上依次為底層、中間層和頂層，其中中間層和底層分別由不同材質(zhì)的橡膠制成，中間層的橡膠相對(duì)底層較硬，中間層為臺(tái)階形，前半部分高，后半部分低，后半部分用于和頂層配合;底層相對(duì)中間層較軟，頂層的后半部分為金屬，前半部分為中間層的突起部分，頂層外側(cè)邊緣有固定裝置，用于將壓力鞋固定在外骨骼小腿上支撐整個(gè)外骨骼;壓力傳感器嵌入在中間層和底層接觸的一面，壓力傳感器上面墊有導(dǎo)壓墊圈。
[0008]所述的壓力傳感器由四層構(gòu)成，從上到下依次為背膠層、基材層、隔離膜、基材層。
[0009]所述的壓力傳感器與電阻Rl串聯(lián)接入電路中，電阻Rl的另一端接地，壓力傳感器的另一端與+5V連接，壓力傳感器與電阻Rl的公共連接點(diǎn)輸出信號(hào)，壓力傳感器類似滑動(dòng)變阻，當(dāng)壓力較小時(shí)，電阻較大，輸出電壓信號(hào)若，當(dāng)壓力增大時(shí)，電阻變小，輸出電壓信號(hào)增強(qiáng);通過對(duì)應(yīng)壓力下電阻、電壓信號(hào)的變化實(shí)現(xiàn)測(cè)量壓力的大小。
[0010]所述的中央處理器和壓力傳感器之間設(shè)置有四通道放大器，放大器將四路壓力傳感器輸出的電壓信號(hào)比較放大后傳給中央處理器處理。
[0011]采用所述的一種用于外骨骼控制的足底壓力測(cè)量裝置的方法，包括以下子步驟:S1:上電系統(tǒng)啟動(dòng)，壓力傳感器先采樣N次，求得壓力傳感器的零偏，并在以后的數(shù)據(jù)中消去壓力傳感器零偏值；
S2:分別求出左腳四個(gè)壓力傳感器的總合Fl和右腳四個(gè)壓力傳感器的總和F2:如果在一定時(shí)間S內(nèi)，F(xiàn)l和F2的波動(dòng)超過了設(shè)定的閾值F，則判別當(dāng)前外骨骼處于模式1:行走模式；如果Fl和F2的波動(dòng)沒有超過設(shè)定的閾值F，則判別外骨骼當(dāng)前處于模式2:站立模式；
當(dāng)判斷處于在行走模式中時(shí)，進(jìn)一步進(jìn)行判斷:
(1)如果Fl的值大于F2，則外骨骼當(dāng)前處于模式1.1:邁右腳模式；
(2)如果Fl的值小于F2，則外骨骼當(dāng)前處于模式1.2:邁左腳模式；
當(dāng)判斷處于在站立模式中時(shí)，進(jìn)一步進(jìn)行判斷:
(1)如果Fl與F2的值相等，則外骨骼當(dāng)前處于模式2.1:雙腳站立支撐模式，此時(shí)，對(duì)四個(gè)壓力傳感器所測(cè)得的值通過加權(quán)和濾波來準(zhǔn)確測(cè)量此時(shí)外骨骼足底壓力；
(2)如果Fl的值大于F2，則外骨骼當(dāng)前處于模式2.2:左腳站立支撐模式，此時(shí)，對(duì)四個(gè)壓力傳感器所測(cè)得的值通過加權(quán)和濾波來準(zhǔn)確測(cè)量此時(shí)外骨骼足底壓力；
(3)如果Fl的值小于F2，則外骨骼當(dāng)前處于模式2.3:右腳站立支撐模式，此時(shí)，對(duì)四個(gè)壓力傳感器所測(cè)得的值通過加權(quán)和濾波來準(zhǔn)確測(cè)量此時(shí)外骨骼足底壓力。
[0012]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明提供一種用于外骨骼控制的足底壓力測(cè)量裝置及測(cè)量方法，利用足底的四片薄膜壓力傳感器采集外骨骼足底主要受力部位的壓力，避免了使用大量的傳感器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低;對(duì)穿戴者穿上外骨骼站立和行走時(shí)的不同模式進(jìn)行劃分，針對(duì)不同的模式下對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的處理，算法簡(jiǎn)單，避免了使用大量傳感器時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)的復(fù)雜處理，提高了對(duì)數(shù)據(jù)的處理速度。
【附圖說明】
[0013]圖1是測(cè)量裝置壓力鞋的剖視圖；
圖2本發(fā)明壓力傳感器的分布示意圖；
圖3是本發(fā)明壓力傳感器電路結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是本發(fā)明方法流程圖；
圖中，101-頂層，102-中間層，103-底層，201-導(dǎo)壓墊圈，202-壓力傳感器。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案:
一種用于外骨骼控制的足底壓力測(cè)量裝置，包括測(cè)量裝置壓力鞋，所述的測(cè)量裝置壓力鞋的內(nèi)部對(duì)應(yīng)跖骨和距骨的位置分別設(shè)置有四片壓力傳感器202，所述的壓力傳感器202產(chǎn)生微弱電信號(hào)，中央處理器對(duì)所述微弱電壓信號(hào)進(jìn)行采集并進(jìn)行處理;所述處理包括利用零力矩點(diǎn)解算出外骨骼的重心位置及變化情況，然后將外骨骼站立和行走時(shí)所處的不同模式進(jìn)行劃分:將靜止站立模式細(xì)分為雙腳支撐、左腳支撐和右腳支撐模式;將行走模式細(xì)分為邁左腿行走和邁右腿行走模式;對(duì)應(yīng)不同模式下對(duì)不同壓力傳感器數(shù)據(jù)采用不同權(quán)值的方法測(cè)量外骨骼足底壓力。
[0015]如圖1所示，所述測(cè)量裝置壓力鞋從下到上依次為底層103、中間層102和頂層101，其中中間層102和底層103分別由不同材質(zhì)的橡膠制成，中間層102的橡膠相對(duì)底層103較硬，便于使測(cè)試者與外骨骼的壓力均勻的傳導(dǎo)致壓力傳感器；中間層102為臺(tái)階形，前半部分高，后半部分低，后半部分用于和頂層101配合;底層103相對(duì)中間層102較軟，能減小外骨骼行走時(shí)足部與地面的沖擊，改善穿戴者的舒適感;頂層101的后半部分為金屬，前半部分為中間層102的突起部分，頂層101外側(cè)邊緣有固定裝置，用于將壓力鞋固定在外骨骼小腿上支撐整個(gè)外骨骼;壓力傳感器202嵌入在中間層102和底層103接觸的一面，壓力傳感器202上面墊有導(dǎo)壓墊圈201，使壓力傳感器202能更好的采集足底主要部位的壓力。
[0016]圖2是本發(fā)明壓力傳感器202分布示意圖，4片壓力傳感器202分別鋪設(shè)在跖骨和距骨對(duì)應(yīng)位置下面，如圖所示四個(gè)傳感器左右對(duì)稱分布，逆時(shí)針方向依次為O號(hào)、I號(hào)、2號(hào)和3號(hào)。本裝置所使用的傳感器為FSR 402型壓力傳感器，該傳感器由四層構(gòu)成，從上到下依次為背膠層、基材層、隔離膜、基材層;該傳感器圓頭直徑為18.3mm，傳感部分面積為