[发明专利]一种外骨骼足底交互力信号快速校准系统及方法

说明书

本发明涉及一种外骨骼足底交互力信号快速校准系统及方法，足底交互力原始数据经过平滑滤波之后，再以目标区间变量为标准，提取平稳特征、倍数调节特征和偏差调节特征，在平稳特征、倍数调节特征和偏差调节特征的控制下完成足底交互力原始数据校准操作，从而提供一种简单、快速、可靠的交互力数据在线自动校准系统和方法，解决外骨骼压力采集数据一致性差，以及不同穿戴人员在行走时的压力特性存在较大差异等问题。

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种外骨骼足底交互力信号快速校准系统及方法。

背景技术

外骨骼机器人是一种可穿戴式助力机器人，通过仿生设计构建人体外部且与人体相互耦合的力学系统，分担人体负荷，并通过驱动系统辅助人体出力，帮助人完成自身无法完成的任务或者降低人体负荷，提高人体作业效能，在搬运、救灾、士兵负重行走、医疗等领域具有广泛的应用前景。

足底交互力是人机耦合的重要信号，对足底交互力信号进行分析和处理是对外骨骼进行步态相位划分和助力控制的基础。一般通过在外骨骼足底前、后脚掌的受力部位布置压力采集装置，获取足底交互力信号，经过简单的滤波、加和、重心计算等处理，然后用于步态识别与助力控制。然而，随着穿戴时间增加，足底结构变化、传感器偏移等原因造成压力采集一致性差，而且不同身高、体重的人员穿戴外骨骼时，其压力的峰值、斜率、变化区间等存在较大差异，这种数据一致性差和对不同人的适应能力弱等问题，将极大地影响外骨骼控制系统对步态相位辨识和助力控制的效果，是亟待解决的关键问题。目前，主要将采集数据存储到本地并离线分析后进行参数校准，缺少一种快速、自动的数据分析与处理方法。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种用于外骨骼机器人的足底交互力信号的快速校准系统及方法，提供一种简单、快速、可靠的交互力数据在线自动校准系统和方法，解决了压力采集数据一致性差，以及不同穿戴人员在行走时的压力特性存在较大差异等问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种外骨骼足底交互力信号快速校准系统包括：

原始数据存储模块1、滤波器2、平滑数据存储模块3、目标区间存储模块4、特征提取模块5、特征数据存储模块6、数据校准模块7和校准的交互力存储模块8；所述原始数据存储模块1用来存储足底交互力原始数据；所述滤波器2对所述原始数据进行滤波操作；所述平滑数据存储模块3用来存储经过滤波操作的数据；所述目标区间存储模块4用来存储目标区间数据；所述特征提取模块5将所述滤波后的数据以所述目标区间数据为映射目标，经特征提取操作得到特征数据；所述特征数据存储模块6用来存储所述特征数据；所述数据校准模块7使用所述特征数据对所述滤波后的数据进行快速校准操作；所述校准的交互力存储模块8用来存储经过数据校准操作的足底交互力数据。

所述特征数据存储模块(6)包括平稳数据变量存储模块(61)、倍数调节变量存储模块(62)和偏差调节变量存储模块(63)；所述平稳数据变量存储模块(61)存储平稳特征，所述倍数调节变量存储模块(62)存储倍数调节特征，所述偏差调节变量存储模块(63)存储偏差调节特征。

进一步地，所述原始数据为足底压力采集装置中每个传感器的采样数据构成的数据帧，在进行特征提取时，所述数据帧长度为覆盖1～2个完整步态周期采样点数据；在线校准应用时，所述数据帧长度为3～15个采样点数据。

进一步地，所述目标区间是将所述原始数据的变化区间进行线性标度变换所映射到的数据区间。

进一步地，所述滤波器(2)对所述足底交互力原始数据采用时域滑动平均滤波方式进行滤波操作，得到平滑后的足底交互力数据x_i，所述i的取值范围为1至n，所述n为足底交互力传感器的个数。

进一步地，平稳特征x_i,base是在足底交互力传感器处于空载时，所述平滑后的足底交互力数据x_i的平均值；