[發明專利]一種穿戴型助力機器人足底壓力分布信息采集處理系統

無效

• 申請號: 201010141413.3
• 申請日: 2010-04-08
• 公開（公告）號: CN101843497A
• 公開（公告）日: 2010-09-29
• 發明（設計）人: 宋全軍;鄭成聞;佟麗娜;姚俊章;田雙太;陳煒;李珊紅;馬婷婷;汪步云;丁俊香;王以俊;孫玉蘋;葛運建
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: A61B5/22
• 分類號: A61B5/22;G06F3/00
• 代理公司: 合肥天明專利事務所 34115
• 代理人: 奚華保

技術領域：

本發明涉及人體運動信息采集領域，可穿戴型助力機器人領域，更具體而言涉及一種可穿戴型助力機器人足底壓力分布信息采集處理系統。

背景技術：

可穿戴型助力機器人是一種外骨骼助力裝置，是一種可以讓人穿戴的人機一體化機械裝置，它將人類的智力與機器的動力結合在一起，讓機器來感知人類運動的意圖，從而通過機器提供動力，為穿戴者提供諸如運動助力，保護，身體支撐等功能。在軍事，救災，以及醫學上的助老助殘領域中都有著極其廣泛的應用前景。可穿戴型助力機器人是根據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鍵所在。而當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，從而控制助力機器人的運動步態符合使用者步態特征，讓使用者穿戴起來更加自然，舒適。

目前助力機器人的人體運動信息采集有采用簡單壓力開關方式，如中國專利CN101336848，此專利只能測量人體足底壓力某個特定的閾值，而無法采集到人體運動中各個步態完整的足底壓力分布信息，從而很難劃分人體運動的步態相位，有采用肌電傳感信息的，如日本的HAL系列，但此裝置存在固定麻煩，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實際運行效果。而現有的足底壓力采集系統在應用到助力機器人信息采集中也有不同的局限性，如專利CN2540911，使用應變片為傳感元件，對兩傳感點之間的距離有限制，不適合助力機器人控制信息的采集。專利CN101520355，壓力測量點不能根據需要隨時進行調整，如此采集會產生許多冗余信息，進而影響后續的控制算法。

發明內容：

為了克服現有助力機器人控制信息采集的不足，本發明提供一種輕巧廉價的穿戴型助力機器人足底壓力分布信息采集處理系統，解決了現有助力機器人信息采集方案中，使用不便，可靠性低，精度低的問題，解決了現有足底壓力測量系統不適合助力機器人足底壓力控制反饋信號采集的問題。本發明通過采集人體運動時足底壓力分布信息，為后續控制算法劃分人體運動步態相位提供低冗余，高精度的數據信息。

本發明的技術方案是：

一種穿戴型助力機器人足底壓力分布信息采集處理系統，由助力機器人左右足的足底壓力分布信息采集裝置與信息傳輸處理單元兩部分組成。

1)信號采集裝置：包括分層結構的助力機器人柔性足部和由分布于助力機器人柔性足部的壓力信號采集點構成的壓力信號傳感單元。其中所述的分層結構由上中下三層構成，最下層為足型橡膠層，以此在助力機器人行走時，增大摩擦，并且減緩人體，以及機器與地面的沖擊力，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，以此來保護壓力傳感器。考慮到若采用螺釘固定方式會使足底壓力分布到固定螺釘上，從而破壞人體行走時足底壓力分布信息，于是整個三層結構采用縫線方式結合在一起，側邊利用搭扣與人體足部進行固定。

其中所述的由分布于助力機器人柔性足部的壓力信號采集點構成的壓力信號傳感單元，根據助力機器人行走中人體步態相位劃分的需要，分布多點的傳感器。在傳感器上下兩側貼上導力圈，以此讓人體行走時的壓力按照后續算法要求全部導到所分布的傳感器上。同時導力圈還能起到緩沖，保護傳感器的作用。其中所述的導力圈為上下兩層柔性橡膠，能夠讓使用者足底壓力均勻且完全傳導到所貼傳感單元位置，以此減少冗余信息。

2)信號處理單元：包括一多路信號調理電路，包括一信號采集單元，包括一上位機控制處理單元。其中所述的調理電路，包括對多路壓力采集信號的增益，保持，提供電流信號轉換為電壓信號的功能，為后續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，不僅減少了調理電路板的尺寸，更是提高了電流信號轉化為電壓信號的精度，減少了周圍環境對其干擾。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入大地，避免干擾信號進入導體，同時降低傳輸信號的損耗。