柔性雙足壓力信息采集與處理系統(tǒng)的設(shè)計

柔性雙足壓力信息采集與處理系統(tǒng)的設(shè)計

可駕駛支持機(jī)器人是一種外骨骨骼支持裝置。它結(jié)合了人類的智力和機(jī)器的動力，讓機(jī)器了解人類運動的意圖，根據(jù)機(jī)器提供動力，擴(kuò)展人體特定部分的運動能力，并完成一些任務(wù)，但也很難完成。可穿戴型助力機(jī)器人是根據(jù)人體運動信息來提供動力援助的,是以人為中心,所以說如何獲取人體運動意圖信息成了此裝置的關(guān)鍵所在。而獲取的速度與準(zhǔn)確性將直接影響助力機(jī)器人控制系統(tǒng)的有效性與穩(wěn)定性。根據(jù)國內(nèi)外的研究成果和研究方案,按人體運動信息來源劃分,主要可以分為以下兩類:(1)肌電信息:通過測量肌肉活動中的電信號,獲取人體運動意圖,實時規(guī)劃人體運動步態(tài)。典型的代表有日本的HAL系列等。雖然說肌電信號作為肌肉最直接的反映,在實時性上具備優(yōu)勢,但是其存在固定麻煩,穿脫不易的缺點,尤其它可靠性不高,存在多次測量不一致性,以及不同使用者的身體狀況差異都會影響系統(tǒng)實際運行效果。(2)關(guān)節(jié)角度與接觸力信息:通過測量人體行走中的關(guān)節(jié)角度以及與地面和機(jī)械之間的接觸力,判斷人體行走意圖。典型的代表有伯克利大學(xué)的BLEEX,美國yobotics公司的RoboKnee,南洋理工的LowerExtremityExoskeleton等。但是此類裝置在測量足底壓力時僅僅采用壓力開關(guān),因此它無法檢測行走過程中人體的重心移動,也無法檢測行走過程中雙腿承受力量的變化過程。從而很難劃分人體行走的步態(tài)相位。為了克服現(xiàn)有助力機(jī)器人控制信息采集的不足,本文提出一種輕巧廉價適用于助力機(jī)器人的柔性雙足壓力分布信息采集與處理系統(tǒng)。較好的解決現(xiàn)有助力機(jī)器人信息采集方案中,使用不便,可靠性低,信息特征模糊等問題,為實現(xiàn)可穿戴助力機(jī)器人控制提供了保障。1機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計整個機(jī)器人主要由外骨骼機(jī)械模塊,驅(qū)動單元模塊,控制單元模塊,足底壓力信息采集處理模塊四部分組成。步行是高度自動化的動作,因此為了完成復(fù)雜的協(xié)調(diào)動作,外骨骼機(jī)械模塊需要有多個自由度。此步行助力機(jī)器人共有14個自由度,單腿為7個自由度,其中包括踝關(guān)節(jié)的彎曲/伸展,外展/內(nèi)收,旋轉(zhuǎn)3個自由度,膝關(guān)節(jié)的彎曲/伸展1個自由度,髖關(guān)節(jié)的彎曲/伸展,外展/內(nèi)收,旋轉(zhuǎn)3個自由度。該設(shè)計符合人體生物力學(xué),達(dá)到與人體腿部運動相協(xié)調(diào),互相不產(chǎn)生運動干涉的設(shè)計要求。步行助力機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。驅(qū)動模塊由六個MAXON直流電機(jī)及與其配套的推桿組成,裝配在踝關(guān)節(jié),膝關(guān)節(jié)與髖關(guān)節(jié)。裝有電機(jī)的六個自由度為主動自由度,為穿戴者提供助力,其他自由度均為被動。2機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計2.1人體運動和平衡控制當(dāng)人體運動時足是唯一與外界直接接觸的人體部位。足部受力的大小和方向,足底皮膚觸覺信息的反饋,對人體運動以及平衡控制產(chǎn)生巨大的影響。因此可以通過測量人體運動時足底壓力分布信息,以此來獲取人體運動意圖信息,劃分人體行走過程中的步態(tài)相位,控制助力機(jī)器人的行走步態(tài)。本文提出的柔性雙足感知系統(tǒng)由前端的足底壓力分布信息采集裝置與終端的信號處理單元兩部分組成,系統(tǒng)框圖如圖2所示。2.2信息采集設(shè)備的設(shè)計2.2.1柔性足部的設(shè)計原則信息采集裝置包括分層結(jié)構(gòu)的助力機(jī)器人柔性足部和由分布于助力機(jī)器人柔性足部的壓力信號采集點構(gòu)成的壓力信號傳感單元。在設(shè)計柔性足部時需遵循以下原則:(1)可穿戴性能夠容易,順利而快速地穿脫,穿戴牢靠不易脫落。(2)相互干涉小,盡量減少對人體行走中足底壓力信息測量的干擾。(3)柔順,舒適性要有與人體足部很好的協(xié)調(diào)性。貼合人體足部的自然構(gòu)造,沒有大的機(jī)械干擾,落地時的沖擊力要小,盡量讓穿著者感覺舒適自然。2.2.2柔性橡膠支撐的變動裝置基于如上設(shè)計思想原則,本文提出了一種三層分層結(jié)構(gòu)的助力機(jī)器人柔性足部結(jié)構(gòu)。分層結(jié)構(gòu)由上中下三層構(gòu)成,最下層為足型橡膠層,以此在助力機(jī)器人行走時,增大摩擦,并且減緩人體,以及機(jī)器與地面的沖擊力,起到緩沖的作用。中間一層,由后半部分剛性板與前半部分的柔性橡膠組成,后半部分的剛性板提供對助力機(jī)器人的支撐作用,前半部分的柔性橡膠使其符合人體足部特征,讓使用者穿戴助力機(jī)器人行走時,感覺更加自然,舒適。最上層采用柔性橡膠,以此來保護(hù)壓力傳感器。考慮到若三層用螺釘?shù)葎傂赃B接,人體行走時的壓力會分布到剛性連接點上,破壞人體自然行走時的壓力分布,故整個三層結(jié)構(gòu)采用縫線方式結(jié)合在一起,側(cè)邊利用搭扣與人體足部進(jìn)行固定。2.2.3flusiforce傳感器傳感器是足底壓力采集系統(tǒng)中重要的采集元件,傳感器的選擇關(guān)系到壓力數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。系統(tǒng)的測量量程指標(biāo)取決于體重,步行速度以及傳感器的安裝位置,根據(jù)生物力學(xué)分析,在人體正常行走過程中,雙足足底壓力力值分布于0～10kg之間,因此,傳感器的測量量程須大于10kg。本文中我們選擇了Flexiforce系列的A201撓性壓阻型傳感器。這款傳感器厚度僅為0.208mm,可反復(fù)彎折。其中線性誤差小于+/-5%,反應(yīng)時間小于0.5μs,工作溫度在-9℃～60℃,量程為11kg,即110N。上述參數(shù)均可滿足測量要求。2.2.4壓力采集點的選擇在人體的解剖學(xué)上,人腳可以劃分若干個解剖區(qū)域,如圖3所示。人在步行,站立等運動中,這些解剖區(qū)域支撐著人體大部分重量,并調(diào)節(jié)著人體的平衡。測量相應(yīng)區(qū)域的壓力變化就能劃分出人體行走時的步態(tài)相位,達(dá)到助力機(jī)器人的控制目的。為了減少系統(tǒng)的復(fù)雜度以及減少信息的冗余性,本文選擇了六個壓力采集點,如圖4所示,因為這六個點在人體行走過程中壓力信息特征明顯,從而能夠很好的劃分人體行走步態(tài)相位。在傳感器上下兩側(cè)貼上柔性橡膠的導(dǎo)力圈,保證人體行走時的壓力按照后續(xù)算法要求全部導(dǎo)到所分布的傳感器上。同時導(dǎo)力圈還能起到緩沖,保護(hù)傳感器的作用。2.3稱重裝置設(shè)計2.3.1片式運放與電阻集成運放信號處理單元包括多路信號調(diào)理電路,信號采集單元以及上位機(jī)控制處理單元。調(diào)理電路需提供對多路壓力采集信號的增益,保持,提供電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號的功能,為后續(xù)的信號采集處理單元提供合適的電壓信號。采用低溫漂,高精度的貼片式運放與電阻,不僅減少了調(diào)理電路板的尺寸,更是提高了電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號的精度,減少了周圍環(huán)境對其干擾。在傳感單元與電路板之間,可采用多芯的屏蔽線連接,外來的干擾信號可被屏蔽層導(dǎo)入大地,避免干擾信號進(jìn)入導(dǎo)體,同時降低傳輸信號的損耗。其中單路的調(diào)理電路如圖5所示,R1為柔性壓力傳感器Flexiforce的A201,其滿載阻值大于等于20kΩ。R2選用20kΩ的貼片電阻,集成運算放大器可以選擇為MC34074.根據(jù)集成運放公式計算得到輸出電壓Vout=5V×(R2R1)Vout=5V×(R2R1),從上述公式可見,電壓輸出值在0～5V之間,符合采集卡的輸入電壓參數(shù)。其中R3與C3組成無源濾波器,對輸出電壓信號進(jìn)行低通濾波,濾除高頻噪聲。2.3.2上位機(jī)pc復(fù)合采集單元選用研華公司的數(shù)據(jù)采集卡PCI-1747U,提供64路的單端模擬量輸入,16bitA/D轉(zhuǎn)換器,250kHz的采樣速率。與其配套的上位機(jī)選用研祥公司的基于PC總線的高可靠性,高實時性以及可擴(kuò)充能力的工業(yè)電腦IPC-810A。在對人體行走時的足底受力進(jìn)行頻域分析后,發(fā)現(xiàn)98%的信號低于10Hz,99%的信號低于15Hz。當(dāng)考慮到每個局部傳感器上可能測得的高頻分量,故本系統(tǒng)的采樣速率定位100Hz。2.4實驗數(shù)據(jù)處理采集處理程序主要由A/D轉(zhuǎn)換模塊,濾波模塊,中斷模塊,顯示模塊以及存儲模塊構(gòu)成。每次A/D轉(zhuǎn)換包括通道轉(zhuǎn)換,通道初始化以及延時,并有中斷程序模塊來控制。每一次中斷完成一個壓力點信息數(shù)據(jù)的采集以及相應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換;同時讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果,對其進(jìn)行數(shù)字濾波和平滑處理。具體處理程序流程如圖6所示。實驗測得的數(shù)據(jù)會有不同程度的噪聲干擾,為了保證數(shù)據(jù)測量的可靠性,我們對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波處理。本文采用一階滯后數(shù)字濾波法,其輸入和輸出關(guān)系公式如下:Yˉˉˉn=(1?α)Xˉˉˉn+αYˉˉˉn?1Yˉn=(1-α)Xˉn+αYˉn-1α=tt+Tsα=tt+Τs其中XˉˉˉXˉn為第n次采樣值,YˉˉˉˉˉˉYˉˉn-1為上次濾波結(jié)果輸出值,YˉˉˉYˉn為第n次采樣后濾波結(jié)果輸出值,α為濾波平滑系數(shù),t為濾波環(huán)節(jié)的時間常數(shù),Ts為采樣周期。當(dāng)選擇合適的α,即可濾掉相應(yīng)頻率的干擾。實驗測得的數(shù)據(jù)除了有高頻噪聲外,還會有一些隨機(jī)干擾,為了消除隨機(jī)干擾的影響,需對數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。本文采用三點平均平滑法,將三點等距的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均后替換改點的數(shù)據(jù),其公式為:Yn=(Xn-1+Xn+Xn-1)/3。此方法能較好地消除隨機(jī)干擾的影響。3結(jié)果與分析3.1線性補償?shù)挠嬎阍趥鞲衅鞯臉?biāo)定中,對施加在傳感器上的負(fù)載和調(diào)理電路之間的關(guān)系進(jìn)行測量,其測量值與所加砝碼數(shù)值的對應(yīng)關(guān)系如圖7所示。從圖7中可以看到,利用線性二乘法計算得到此傳感器線性擬合度接近1,可以認(rèn)為傳感器所受負(fù)載與輸出之間的映射關(guān)系是線性的,符合測量系統(tǒng)的要求。同時可計算得負(fù)載與電壓輸出比值為18.71N/V。3.2人體行駛相位劃分為了驗證所設(shè)計的感知系統(tǒng)的有效性,實驗以一個體重65kg,足部正常的人為測量對象,步速1.2m/s,直線行走,行走過程中左右足采集點的壓力分布變化曲線如圖8所示。從圖8可以看出,該系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)特征明顯,響應(yīng)迅速,重復(fù)性好。人體的行走周期可以分為兩個基本相位的組合:擺動相位和支撐相位。擺動相位應(yīng)大約占行走周期的40%,而支撐周期大約占行走周期的60%。從實驗結(jié)果,可以看到當(dāng)采集點6有壓力產(chǎn)生時,則是支撐相位開始,采集點1壓力消失時為擺動相位的開始,兩者交替出現(xiàn),所占的時間比符合人體運動力學(xué)。同時,還能從圖中看到在支撐相位時,各采集點壓力峰值相繼出現(xiàn)符合人體行走中足部運動規(guī)律,能夠為后續(xù)的人體行走相位劃分提供充分的數(shù)據(jù)支持。通過實驗發(fā)現(xiàn),該系統(tǒng)還存在以下需改進(jìn)之處:①左右足的采集點位置還需進(jìn)行微調(diào),以期壓力分布的變化特征能夠更容易劃分出人體行走的各個相位。②需進(jìn)行多人次在各種行走狀態(tài)下的實驗,建立起通用的數(shù)據(jù)庫,為之后助力機(jī)器人控制器的設(shè)計提供低冗余,高精度的數(shù)據(jù)支持。4助力機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計本文針對一種新型助力機(jī)器