一種用于外骨骼控制的足底壓力測量裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于外骨骼控制的足底壓力測量裝置及方法。
【背景技術】
[0002]隨著機器人技術的不斷發展，機器人變得越來越智能，外骨骼機器人是一種能為人類提供強大“體力”的高度智能裝備，在康復醫療領域，外骨骼機器人能幫助截癱患者進行行走訓練，延緩肌肉萎縮，通過訓練康復，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用前景，例如消防、抗震救災等。外骨骼足部是外骨骼與環境交互的載體，足底壓力能反映外骨骼系統的運行狀態，通過測量外骨骼雙腳的足底壓力，結合零力矩方法可以解算出外骨骼的重心位置及變化情況，還可以根據足底壓力的大小及其變化情況識別出外骨骼的當前運動狀態，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，準確測量出能滿足外骨骼控制需求的足底壓力數據十分重要，本發明旨在提供一種用于外骨骼控制的足底壓力測量裝置及測量方法。
[0003]在本領域中，已公開的專利號為CN2540911Y的名為“平板式足底壓力分布測量裝置”的專利，該裝置由200個微型壓力傳感器構成傳感器陣列，傳感器微弱信號經放大后送給計算機處理，計算機對傳感器的數據進行循環處理，然后將數據存入硬盤;該裝置主要用于檢測糖尿病人足底壓力分布情況，該裝置測量快速方便、精度高，能預測糖尿病足的發生。但是，該專利也有一些不足之處:(I)傳感器陣列采用200個壓力傳感器組成，數據處理量大，采樣率較低；(2)該裝置為平板式，體積大，相對笨重，穿戴不方便，不適合用于采集外骨骼機器人足底壓力來作為實時控制信息。
[0004]外骨骼機器人足底壓力鞋采用橡膠和金屬聯合制成，由于橡膠傳導壓力的非線性，使壓力傳感器的受壓環境變得很復雜，當穿戴者穿上外骨骼站立或者行走時，足底各個部分的壓力變化也是非線性的。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種用于外骨骼控制的足底壓力測量裝置及方法，在外骨骼機器人足底主要受力位置鋪設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，然后對數據進行處理；同時對穿戴者穿上外骨骼站立和行走過程中的不同模式進行劃分，將靜止站立模式細分為雙腳支撐、左腳支撐和右腳支撐模式;將行走模式細分為邁左腿行走和邁右腿行走模式，針對不同的模式對傳感器數據進行不同的處理從而實現用盡可能少的壓力傳感器測量出能滿足外骨骼控制需求的足底壓力值。
[0006]本發明的目的是通過以下技術方案來實現的:一種用于外骨骼控制的足底壓力測量裝置，包括測量裝置壓力鞋，所述的測量裝置壓力鞋的內部對應跖骨和距骨的位置分別設置有四片壓力傳感器，所述的壓力傳感器產生微弱電信號，中央處理器對所述微弱電壓信號進行采集并進行處理;所述處理包括利用零力矩點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所處的不同模式進行劃分:將靜止站立模式細分為雙腳支撐、左腳支撐和右腳支撐模式;將行走模式細分為邁左腿行走和邁右腿行走模式;對應不同模式下對不同壓力傳感器數據采用不同權值的方法測量外骨骼足底壓力。
[0007]所述測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的橡膠制成，中間層的橡膠相對底層較硬，中間層為臺階形，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壓墊圈。
[0008]所述的壓力傳感器由四層構成，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的公共連接點輸出信號，壓力傳感器類似滑動變阻，當壓力較小時，電阻較大，輸出電壓信號若，當壓力增大時，電阻變小，輸出電壓信號增強;通過對應壓力下電阻、電壓信號的變化實現測量壓力的大小。
[0010]所述的中央處理器和壓力傳感器之間設置有四通道放大器，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量裝置的方法，包括以下子步驟:S1:上電系統啟動，壓力傳感器先采樣N次，求得壓力傳感器的零偏，并在以后的數據中消去壓力傳感器零偏值；
S2:分別求出左腳四個壓力傳感器的總合Fl和右腳四個壓力傳感器的總和F2:如果在一定時間S內，Fl和F2的波動超過了設定的閾值F，則判別當前外骨骼處于模式1:行走模式；如果Fl和F2的波動沒有超過設定的閾值F，則判別外骨骼當前處于模式2:站立模式；
當判斷處于在行走模式中時，進一步進行判斷:
(1)如果Fl的值大于F2，則外骨骼當前處于模式1.1:邁右腳模式；
(2)如果Fl的值小于F2，則外骨骼當前處于模式1.2:邁左腳模式；
當判斷處于在站立模式中時，進一步進行判斷:
(1)如果Fl與F2的值相等，則外骨骼當前處于模式2.1:雙腳站立支撐模式，此時，對四個壓力傳感器所測得的值通過加權和濾波來準確測量此時外骨骼足底壓力；
(2)如果Fl的值大于F2，則外骨骼當前處于模式2.2:左腳站立支撐模式，此時，對四個壓力傳感器所測得的值通過加權和濾波來準確測量此時外骨骼足底壓力；
(3)如果Fl的值小于F2，則外骨骼當前處于模式2.3:右腳站立支撐模式，此時，對四個壓力傳感器所測得的值通過加權和濾波來準確測量此時外骨骼足底壓力。
[0012]本發明的有益效果是:本發明提供一種用于外骨骼控制的足底壓力測量裝置及測量方法，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，結構簡單，成本低;對穿戴者穿上外骨骼站立和行走時的不同模式進行劃分，針對不同的模式下對數據進行不同的處理，算法簡單，避免了使用大量傳感器時對數據的復雜處理，提高了對數據的處理速度。
【附圖說明】
[0013]圖1是測量裝置壓力鞋的剖視圖；
圖2本發明壓力傳感器的分布示意圖；
圖3是本發明壓力傳感器電路結構示意圖；
圖4是本發明方法流程圖；
圖中，101-頂層，102-中間層，103-底層，201-導壓墊圈，202-壓力傳感器。
【具體實施方式】
[0014]下面結合附圖進一步詳細描述本發明的技術方案:
一種用于外骨骼控制的足底壓力測量裝置，包括測量裝置壓力鞋，所述的測量裝置壓力鞋的內部對應跖骨和距骨的位置分別設置有四片壓力傳感器202，所述的壓力傳感器202產生微弱電信號，中央處理器對所述微弱電壓信號進行采集并進行處理;所述處理包括利用零力矩點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所處的不同模式進行劃分:將靜止站立模式細分為雙腳支撐、左腳支撐和右腳支撐模式;將行走模式細分為邁左腿行走和邁右腿行走模式;對應不同模式下對不同壓力傳感器數據采用不同權值的方法測量外骨骼足底壓力。
[0015]如圖1所示，所述測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分別由不同材質的橡膠制成，中間層102的橡膠相對底層103較硬，便于使測試者與外骨骼的壓力均勻的傳導致壓力傳感器；中間層102為臺階形，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相對中間層102較軟，能減小外骨骼行走時足部與地面的沖擊，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是本發明壓力傳感器202分布示意圖，4片壓力傳感器202分別鋪設在跖骨和距骨對應位置下面，如圖所示四個傳感器左右對稱分布，逆時針方向依次為O號、I號、2號和3號。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