[发明专利]下肢助力外骨骼机器人步态模式识别方法及系统

说明书

技术领域

    本发明涉及一种基于足底测力检测系统的下肢助力外骨骼机器人步态模式识别方法及系统。

背景技术

下肢助力外骨骼机器人结合了人与机器人的优点，把人与机器人组合在一个系统里，充分发挥人的动作导向能力与机器人承担负载的能力。此下肢助力外骨骼机构能被穿戴者穿在身上，并时刻保持与穿戴者一致的行走动作，像人体的外骨骼一样代替人体承担外部负载，从而达到行走助力的目的。

为了缓解大负重、长距离行走引起的下肢伤痛问题；人口老龄化日益加剧带来的社会问题；及由于交通、地震灾害等引起的下肢伤残等问题；故对此种人机一体化的下肢助力外骨骼系统进行研究具有重要的意义，且将具有广泛的应用前景。

对于下肢助力外骨骼机器人的控制，其中最关键的因素是采集穿戴者的运动意图及运动趋势，只有很好的获取穿戴者的运动意图，才能对下肢助力外骨骼进行控制，使其快速的跟随穿戴者进行有效助力。

目前，对穿戴者运动意图的获取一类是进行肌电信号、脑电信号的检测，由于肌电、脑电信号存在信号微弱，不稳定的缺点，使得信号的采集、处理及分析都非常复杂。

另一类是通过在穿戴者身上安装角度、加速度传感装置，并检测穿戴者的脚底力信息进行运动信息的检测，进而对下肢外骨骼实施控制。在脚底力信息检测中，设计一套便于穿戴，能准确获取人体的行走模式及一个步态周期内确切运动相位的测力系统非常重要。

发明内容

针对下肢助力外骨骼机器人控制中存在的问题及对穿戴者行走运动模式识别的需求，本发明提供了一种人体运动模式识别方法，通过内嵌在机器人鞋底处的压力传感装置对穿戴者的脚底压力信息进行检测，设计信号调理电路，数据转换模块、无线传输模块等获得脚底压力信息，把获得的脚底压力信息与人体步态数据库内的行走模式进行比较匹配，判断出其行走模式，并对一个步态周期内的运动相进行识别，实现下肢助力外骨骼机器人运动状态的实时检测，便于机器人的运动控制。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种下肢助力外骨骼机器人步态模式识别方法，

内嵌在下肢助力外骨骼机器人鞋底处的压力传感装置对穿戴者的脚底压力信息进行检测，通过信号调理电路、无线传输模块使数据处理模块获得脚底压力信息；

数据处理模块将获得的脚底压力信息与人体步态数据库内的行走模式进行比较匹配，判断得出行走模式，并对一个步态周期内的运动相进行识别，判断得出运动相位；

进行数据处理分析，匹配识别后的结果传输给下肢助力外骨骼机器人的控制系统，作为控制依据。

优选地，数据库中存放有运动模式的特征参数，包括人体平地行走、楼梯行走、斜坡行走、跳跃、下蹲、跑步运动模式下的脚底力信息。

优选地，分析得出在一个步态周期内的运动相位：

当后脚跟压力小于预设阈值，前脚掌压力逐渐增加时，表示穿戴者正在蹬离地面；

当前脚掌与后脚跟的压力均小于预设阈值时，表示穿戴者进入摆动腿工作模式阶段；

当后脚跟压力逐渐增大，而前脚掌压力小于预设阈值时，表示穿戴者进入脚跟着地阶段；

当后脚跟与前脚掌压力均大于预设阈值时，表示穿戴者进入支撑腿工作模式阶段。

一种下肢助力外骨骼机器人步态模式识别系统，用于获得脚底压力信息并识别出的下肢助力外骨骼运动模式，并将识别出的运动相位上传给上位机的控制系统，为控制系统进行下肢助力外骨骼运动控制提供依据；

包括内嵌在测力鞋内的上层鞋垫和下层鞋垫间的PVDF压力传感器、信号调理电路、数据转换模块、无线传输模块、数据处理模块；

通过内嵌在下肢助力外骨骼机器人足部的压力鞋垫对穿戴者的运动意图进行实时检测；

信号调理电路、无线传输模块使数据处理模块获得脚底压力信息；

数据处理模块将获得的脚底压力信息与人体步态数据库内的行走模式进行比较匹配，判断得出行走模式，并对一个步态周期内的运动相进行识别，判断得出运动相位；

进行数据处理分析，匹配识别后的结果传输给下肢助力外骨骼机器人的控制系统，作为控制依据。

优选地，信号调理电路包括电荷放大电路、低通滤波电路、电压放大电路；

在积分电路中，采用高输入阻抗CA3140作为前置运放；

在低通滤波电路中，采用OP07芯片组合电容、电阻形成的二阶Butterworth有源低通滤波电路；

在电压放大电路中，采用高增益运算放大器UA741芯片，提供输出短路保护和闭锁的自由运作。