一種外骨骼助殘機器人充氣式壓力傳感器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種外骨骼助殘機器人充氣式壓力傳感器，包括充氣鞋墊、氣體壓力傳感器、信號采集板、CAN總線、上位機和電源模塊，充氣鞋墊由鞋墊中空氣體腔、氣管和氣管接口組成，氣管通過氣管接口連接在中空氣體腔的后部，氣體壓力傳感器包括集成信號調理芯片和壓力敏感器件，信號采集板包括CAN驅動模塊和主控制器，所述主控制器的內部設置有數模轉換模塊。本發明具有適應性強、可靠性高、抗干擾能力強的優勢，采用充氣鞋墊作為人體足底壓力傳感器，測得壓力值就是足底的全部壓力，測量可靠性更高、準確性更高，提高了傳感器對穿戴者的適應性；降低外界對傳感器線路的電磁干擾，可以快速完成信號采集和CAN通信等任務。
【專利說明】
一種外骨骼助殘機器人充氣式壓力傳感器
技術領域
[0001]本發明涉及信號檢測技術領域，具體是一種外骨骼助殘機器人充氣式壓力傳感器。
【背景技術】
[0002]人體運動步態識別是機器人領域的一個關鍵技術和難點所在，主要涉及足底壓力信號采集、數據實時通信和數據處理等技術，可用于外骨骼助殘機器人、醫療康復機器人等領域。
[0003]足底壓力信號是外骨骼助殘機器人控制的關鍵信號，足底壓力可以反應穿戴者對外骨骼助殘機器人足部的作用力，進而可以判斷出穿戴者的下肢處于擺動態還是支撐態。目前，足底壓力測量大部分采用薄膜傳感器，如A401。但是，薄膜傳感器通常被固定在鞋底的內表面，測量足底的四個主要受力點的壓力值，這要求穿戴者的腳必須和機器人的鞋尺寸合適才行，并且薄膜傳感器由塑料制成，不耐磨、不抗壓，經常穿戴容易變形或損壞，進而影響信號測量準確性。為了推動外骨骼助殘機器人的商業化、產品化，研究一種適應性更強，可靠性更高的壓力傳感器變成了一種迫切需求。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供一種適應性強、可靠性高的外骨骼助殘機器人充氣式壓力傳感器，以解決上述【背景技術】中提出的問題。
[0005]為實現上述目的，本發明提供如下技術方案:
一種外骨骼助殘機器人充氣式壓力傳感器，包括充氣鞋墊、氣體壓力傳感器、信號采集板、CAN總線、上位機和電源模塊，所述充氣鞋墊、氣體壓力傳感器、信號采集板、CAN總線和上位機依次相連，所述充氣鞋墊由鞋墊中空氣體腔、氣管和氣管接口組成，所述氣管通過氣管接口連接在中空氣體腔的后部，充氣鞋墊將足底壓力變化信號轉換成氣體壓力變化信號;所述氣體壓力傳感器包括集成信號調理芯片和壓力敏感器件，氣體壓力傳感器將氣體壓力信號轉換成相應的電信號;信號采集板包括CAN驅動模塊和主控制器，所述主控制器的內部設置有數模轉換模塊，數模轉換模塊將模擬信號轉換成數字信號，并通過CAN總線發送給上位機;所述壓力敏感器件的輸出端依次通過集成信號調理芯片、主控制器、CAN驅動模塊和CAN總線連接上位機;所述電源模塊的輸出端分別連接主控制器和集成信號調理芯片的輸入端，電源模塊為信號采集板和氣體壓力傳感器供電。
[0006]作為本發明進一步的方案:所述充氣鞋墊采用塑料或橡膠制成。
[0007]作為本發明進一步的方案:所述氣體壓力傳感器和信號調理電路構成集成式氣體壓力變送器模塊，集成式氣體壓力變送器模塊輸出0.5-4.5V的線性模擬電信號。
[0008]作為本發明進一步的方案:所述信號采集板采用嵌入式設計，信號采集板上的主控制器完成模數轉換和CAN數據通信。
[0009]作為本發明進一步的方案:所述上位機由PC機、監控軟件和CAN卡組成。
[0010]作為本發明進一步的方案:所述主控制器為內帶CAN控制器的ARM型微控制器。
[0011]作為本發明再進一步的方案:所述ARM型微控制器的型號為STM32F103C8T6。
[0012]與現有技術相比，本發明的有益效果是:
本發明具有適應性強、可靠性高、抗干擾能力強的優勢，采用充氣鞋墊作為人體足底壓力傳感器，測得壓力值就是足底的全部壓力，測量可靠性更高、準確性更高。而且，穿戴者的腳尺寸比機器人的鞋小一些也可以踩到傳感器的，進而提高了傳感器對穿戴者的適應性；采用延長氣管長度，減小電氣線路長度的方法，降低外界對傳感器線路的電磁干擾;采集板和上位機之間采用可靠性很高的CAN總線通信，可以快速完成信號采集和CAN通信等任務。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發明中壓力傳感器的整體框圖。
[0014]圖2是本發明中充氣鞋墊結構示意圖。
[0015]圖3是本發明中信號采集板結構示意圖。
[0016]圖4是本發明中氣體壓力傳感器信號調理電路圖。
[0017]圖5是本發明中信號采集板控制流程示意圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結合【具體實施方式】對本專利的技術方案作進一步詳細地說明。
[0019]請參閱圖1-5，一種外骨骼助殘機器人充氣式壓力傳感器，包括充氣鞋墊1、氣體壓力傳感器2、信號采集板3、CAN總線4、上位機5和電源模塊14，所述充氣鞋墊1、氣體壓力傳感器2、信號采集板3、CAN總線4和上位機5依次相連，所述充氣鞋墊I由鞋墊中空氣體腔6、氣管7和氣管接口 8組成，所述氣管7通過氣管接口 8連接在中空氣體腔6的后部，充氣鞋墊I將足底壓力變化信號轉換成氣體壓力變化信號;所述氣體壓力傳感器2包括集成信號調理芯片12和壓力敏感器件13，氣體壓力傳感器2將氣體壓力信號轉換成相應的電信號;信號采集板3包括CAN驅動模塊9和主控制器10，所述主控制器10的內部設置有數模轉換模塊11，數模轉換模塊11將模擬信號轉換成數字信號，并通過CAN總線4發送給上位機5;所述壓力敏感器件13的輸出端依次通過集成信號調理芯片12、主控制器10、CAN驅動模塊9和CAN總線4連接上位機5;所述電源模塊14的輸出端分別連接主控制器10和集成信號調理芯片12的輸入端，電源模塊14為信號采集板3和氣體壓力傳感器2供電。
[0020]所述充氣鞋墊I采用塑料或橡膠制成，所述充氣鞋墊I的內部是中空的，并且內部氣壓可以承受人體的重力;所述氣體壓力傳感器2和信號調理電路構成集成式氣體壓力變送器模塊，集成式氣體壓力變送器模塊輸出0.5-4.5V的線性模擬電信號;所述信號采集板3采用嵌入式設計，信號采集板3上的主控制器10完成模數轉換和CAN數據通信;所述上位機5由PC機、監控軟件和CAN卡組成，監控軟件可實時顯示足底壓力變化，并可以將采集數據以文件的形式保存;所述主控制器10為內帶CAN控制器的ARM型微控制器，完成模數轉換、數據處理和CAN通信;所述ARM型微控制器的型號為STM32F103C8T6。
[0021]所述CAN總線4上采用標準幀，通信速率為IMbps;上位機監控軟件由曲線顯示區和控制區構成，主要完成壓力數據的記錄、顯示和分析。所述信號調理電路中由于氣體壓力傳感器2的輸出信號為0.5-4.5V，超出了主控制器10的輸入信號范圍，故需要進行分壓處理，信號理電路中采用電阻R34和R47進行分壓，分壓系數為0.5，分壓后的信號電壓范圍為
0.25-2.25V，滿足主控制器10的輸入信號電壓要求；電阻R34和R47采用1%精度的精密電阻，電容C34用于信號濾波。
[0022]所述信號采集板3的控制流程如下:信號采集板3上電后先進行初始化操作，檢查各部件是否運行正常，然后進入主循環。進入主循環后，啟動主控制器10的數模轉換模塊11，采用過采樣技術將數模轉換模塊11的分辨精度由12位提高到16位。獲得ADC采樣值后，進行滑動平均濾波，依據足底壓力和ADC采樣值的對應關系計算出足底壓力值，依據制定好CAN總線通信協議，對數據進行打包，最后啟動CAN模塊將數據發送給上位機5。
[0023]上位機監控界面主要包含傳感器采集相關區、實時曲線顯示區和控制按鈕區三部分構成。傳感器采集相關區主要實現通信參數設置、采集數據實時顯示和采樣周期的設置；實時顯示區主要完成足底壓力實時曲線顯示;按鈕控制區主要實時數據采集控制，并實現采集數據的存儲功能，數據以文本文件的形式存儲到PC機中。
[0024]本發明具有適應性強、可靠性高、抗干擾能力強的優勢，采用充氣鞋墊I作為人體足底壓力傳感器，由于充氣鞋墊I是鋪滿整個鞋底的，所以穿戴者的腳是整個踩到充氣鞋墊I上的，測得壓力值就是足底的全部壓力，而不是幾個點的壓力，因此，測量可靠性更高、準確性更高。而且，穿戴者的腳尺寸比機器人的鞋小一些也可以踩到傳感器的，進而提高了傳感器對穿戴者的適應性;采用延長氣管長度，減小電氣線路長度的方法，降低外界對傳感器線路的電磁干擾;采集板和上位機之間采用可靠性很高的CAN總線通信，通信速率為IMbps;采用高速ARM型微控制器作為主控制器，主頻可達72MHz，可以快速完成信號采集和CAN通信等任務。
[0025]上面對本專利的較佳實施方式作了詳細說明，但是本專利并不限于上述實施方式，在本領域的普通技術人員所具備的知識范圍內，還可以在不脫離本專利宗旨的前提下作出各種變化。
【主權項】
1.一種外骨骼助殘機器人充氣式壓力傳感器，其特征在于，包括充氣鞋墊(I)、氣體壓力傳感器(2)、信號采集板(3)、CAN總線(4)、上位機(5)和電源模塊(14)，所述充氣鞋墊(1)、氣體壓力傳感器(2)、信號采集板(3)、CAN總線(4)和上位機(5)依次相連，所述充氣鞋墊(I)由鞋墊中空氣體腔(6)、氣管(7)和氣管接口(8)組成，所述氣管(7)通過氣管接口(8)連接在中空氣體腔(6)的后部，充氣鞋墊(I)將足底壓力變化信號轉換成氣體壓力變化信號;所述氣體壓力傳感器(2)包括集成信號調理芯片(12)和壓力敏感器件(13)，氣體壓力傳感器(2)將氣體壓力信號轉換成相應的電信號；信號采集板(3)包括CAN驅動模塊(9)和主控制器(10)，所述主控制器(10)的內部設置有數模轉換模塊(11)，數模轉換模塊(11)將模擬信號轉換成數字信號，并通過CAN總線(4)發送給上位機(5);所述壓力敏感器件(13)的輸出端依次通過集成信號調理芯片(12)、主控制器(10)、CAN驅動模塊(9)和CAN總線(4)連接上位機(5);所述電源模塊(14)的輸出端分別連接主控制器(10)和集成信號調理芯片(12)的輸入端，電源模塊(14)為信號采集板(3)和氣體壓力傳感器(2)供電。2.根據權利要求1所述的外骨骼助殘機器人充氣式壓力傳感器，其特征在于，所述充氣鞋墊(I)采用塑料或橡膠制成。3.根據權利要求1所述的外骨骼助殘機器人充氣式壓力傳感器，其特征在于，所述氣體壓力傳感器(2)和信號調理電路構成集成式氣體壓力變送器模塊，集成式氣體壓力變送器模塊輸出0.5-4.5V的線性模擬電信號。4.根據權利要求1所述的外骨骼助殘機器人充氣式壓力傳感器，其特征在于，所述信號采集板(3)采用嵌入式設計，信號采集板(3)上的主控制器(10)完成模數轉換和CAN數據通?目O5.根據權利要求1所述的外骨骼助殘機器人充氣式壓力傳感器，其特征在于，所述上位機(5)由PC機、監控軟件和CAN卡組成。6.根據權利要求1所述的外骨骼助殘機器人充氣式壓力傳感器，其特征在于，所述主控制器(10)為內帶CAN控制器的ARM型微控制器。7.根據權利要求6所述的外骨骼助殘機器人充氣式壓力傳感器，其特征在于，所述ARM型微控制器的型號為STM32F103C8T6。
【文檔編號】G01L1/02GK106092379SQ201610411180
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月14日 公開號201610411180.1, CN 106092379 A, CN 106092379A, CN 201610411180, CN-A-106092379, CN106092379 A, CN106092379A, CN201610411180, CN201610411180.1
【發明人】趙漢賓, 趙江海, 王容川, 葉曉東, 王美玲, 趙子毅, 陳淑艷, 丁玲, 付龍
【申請人】中國科學院合肥物質科學研究院, 常州先進制造技術研究所