[发明专利]一种穿戴型助力机器人足底压力分布信息采集处理系统

说明书

技术领域：

本发明涉及人体运动信息采集领域，可穿戴型助力机器人领域，更具体而言涉及一种可穿戴型助力机器人足底压力分布信息采集处理系统。

背景技术：

可穿戴型助力机器人是一种外骨骼助力装置，是一种可以让人穿戴的人机一体化机械装置，它将人类的智力与机器的动力结合在一起，让机器来感知人类运动的意图，从而通过机器提供动力，为穿戴者提供诸如运动助力，保护，身体支撑等功能。在军事，救灾，以及医学上的助老助残领域中都有着极其广泛的应用前景。可穿戴型助力机器人是根据人体运动信息来提供动力援助的，是以人为中心，所以说如何获取人体运动意图信息成了此装置的关键所在。而当人体运动时足是唯一与外界直接接触的人体部位。足部受力的大小和方向，足底皮肤触觉信息的反馈，对人体运动以及平衡控制产生巨大的影响。因此可以通过测量人体运动时足底压力分布信息，以此来获取人体运动意图信息，从而控制助力机器人的运动步态符合使用者步态特征，让使用者穿戴起来更加自然，舒适。

目前助力机器人的人体运动信息采集有采用简单压力开关方式，如中国专利CN101336848，此专利只能测量人体足底压力某个特定的阈值，而无法采集到人体运动中各个步态完整的足底压力分布信息，从而很难划分人体运动的步态相位，有采用肌电传感信息的，如日本的HAL系列，但此装置存在固定麻烦，穿脱不易的缺点，尤其它可靠性不高，存在多次测量不一致性，以及不同使用者的身体状况差异都会影响系统实际运行效果。而现有的足底压力采集系统在应用到助力机器人信息采集中也有不同的局限性，如专利CN2540911，使用应变片为传感元件，对两传感点之间的距离有限制，不适合助力机器人控制信息的采集。专利CN101520355，压力测量点不能根据需要随时进行调整，如此采集会产生许多冗余信息，进而影响后续的控制算法。

发明内容：

为了克服现有助力机器人控制信息采集的不足，本发明提供一种轻巧廉价的穿戴型助力机器人足底压力分布信息采集处理系统，解决了现有助力机器人信息采集方案中，使用不便，可靠性低，精度低的问题，解决了现有足底压力测量系统不适合助力机器人足底压力控制反馈信号采集的问题。本发明通过采集人体运动时足底压力分布信息，为后续控制算法划分人体运动步态相位提供低冗余，高精度的数据信息。

本发明的技术方案是：

一种穿戴型助力机器人足底压力分布信息采集处理系统，由助力机器人左右足的足底压力分布信息采集装置与信息传输处理单元两部分组成。

1)信号采集装置：包括分层结构的助力机器人柔性足部和由分布于助力机器人柔性足部的压力信号采集点构成的压力信号传感单元。其中所述的分层结构由上中下三层构成，最下层为足型橡胶层，以此在助力机器人行走时，增大摩擦，并且减缓人体，以及机器与地面的冲击力，起到缓冲的作用。中间一层，由后半部分刚性板与前半部分的柔性橡胶组成，后半部分的刚性板提供对助力机器人的支撑作用，前半部分的柔性橡胶使其符合人体足部特征，让使用者穿戴助力机器人行走时，感觉更加自然，舒适。最上层采用柔性橡胶，以此来保护压力传感器。考虑到若采用螺钉固定方式会使足底压力分布到固定螺钉上，从而破坏人体行走时足底压力分布信息，于是整个三层结构采用缝线方式结合在一起，侧边利用搭扣与人体足部进行固定。

其中所述的由分布于助力机器人柔性足部的压力信号采集点构成的压力信号传感单元，根据助力机器人行走中人体步态相位划分的需要，分布多点的传感器。在传感器上下两侧贴上导力圈，以此让人体行走时的压力按照后续算法要求全部导到所分布的传感器上。同时导力圈还能起到缓冲，保护传感器的作用。其中所述的导力圈为上下两层柔性橡胶，能够让使用者足底压力均匀且完全传导到所贴传感单元位置，以此减少冗余信息。

2)信号处理单元：包括一多路信号调理电路，包括一信号采集单元，包括一上位机控制处理单元。其中所述的调理电路，包括对多路压力采集信号的增益，保持，提供电流信号转换为电压信号的功能，为后续的信号采集处理单元提供合适的电压信号。采用低温漂，高精度的贴片式运放与电阻，不仅减少了调理电路板的尺寸，更是提高了电流信号转化为电压信号的精度，减少了周围环境对其干扰。在传感单元与电路板之间，可采用多芯的屏蔽线连接，外来的干扰信号可被屏蔽层导入大地，避免干扰信号进入导体，同时降低传输信号的损耗。