一種柔性雙足壓力檢測(cè)裝置與步態(tài)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究*

鄭成聞,宋全軍,佟麗娜,陳 煒 ,葛運(yùn)建*

1.中國(guó)科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所,合肥230031 2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)自動(dòng)化系,合肥230027

可穿戴型助力機(jī)器人是一種外骨骼助力裝置,它將人類的智力與機(jī)器的動(dòng)力結(jié)合在一起,讓機(jī)器來感知人類運(yùn)動(dòng)的意圖,從而通過機(jī)器提供動(dòng)力,擴(kuò)展人體特定部位的運(yùn)動(dòng)能力,完成一些僅靠人力難以單獨(dú)完成的任務(wù)[1]。

可穿戴型助力機(jī)器人是根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)信息來提供動(dòng)力援助的,是以人為中心[9],所以說如何獲取人體運(yùn)動(dòng)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(guó)內(nèi)外的研究成果和研究方案,按人體運(yùn)動(dòng)信息來源劃分,主要可以分為以下兩類[12]：(1)肌電信息：通過測(cè)量肌肉活動(dòng)中的電信號(hào),獲取人體運(yùn)動(dòng)意圖,實(shí)時(shí)規(guī)劃人體運(yùn)動(dòng)步態(tài)。典型的代表有日本的HAL系列等[2-3]。雖然說肌電信號(hào)作為肌肉最直接的反映,在實(shí)時(shí)性上具備優(yōu)勢(shì),但是其存在固定麻煩,穿脫不易的缺點(diǎn),尤其它可靠性不高,存在多次測(cè)量不一致性,以及不同使用者的身體狀況差異都會(huì)影響系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行效果。(2)關(guān)節(jié)角度與接觸力信息：通過測(cè)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[4],美國(guó)yobotics公司的RoboKnee,南洋理工的Lower Extremity Exoskeleton等。但是此類裝置在測(cè)量足底壓力時(shí)僅僅采用壓力開關(guān),因此它無法檢測(cè)行走過程中人體的重心移動(dòng),也無法檢測(cè)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(jià)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(shí)現(xiàn)可穿戴助力機(jī)器人控制提供了保障。

1 機(jī)器人整體系統(tǒng)介紹

整個(gè)機(jī)器人主要由外骨骼機(jī)械模塊,驅(qū)動(dòng)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(dòng)化的動(dòng)作,因此為了完成復(fù)雜的協(xié)調(diào)動(dòng)作,外骨骼機(jī)械模塊需要有多個(gè)自由度。此步行助力機(jī)器人共有 14個(gè)自由度,單腿為 7個(gè)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(gè)自由度,膝關(guān)節(jié)的彎曲/伸展 1個(gè)自由度,髖關(guān)節(jié)的彎曲/伸展,外展/內(nèi)收,旋轉(zhuǎn) 3個(gè)自由度。該設(shè)計(jì)符合人體生物力學(xué),達(dá)到與人體腿部運(yùn)動(dòng)相協(xié)調(diào),互相不產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉的設(shè)計(jì)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(dòng)模塊由六個(gè) 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(gè)自由度為主動(dòng)自由度,為穿戴者提供助力,其他自由度均為被動(dòng)。

圖1 助力機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖

2 機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 柔性雙足感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)人體運(yùn)動(dòng)時(shí)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(duì)人體運(yùn)動(dòng)以及平衡控制產(chǎn)生巨大的影響[5]。因此可以通過測(cè)量人體運(yùn)動(dòng)時(shí)足底壓力分布信息,以此來獲取人體運(yùn)動(dòng)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(hào)處理單元兩部分組成,系統(tǒng)框圖如圖 2所示。

圖2 系統(tǒng)框圖

2.2 信息采集裝置設(shè)計(jì)

2.2.1 設(shè)計(jì)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(hào)采集點(diǎn)構(gòu)成的壓力信號(hào)傳感單元。在設(shè)計(jì)柔性足部時(shí)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(duì)人體行走中足底壓力信息測(cè)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(shí)的沖擊力要小,盡量讓穿著者感覺舒適自然。

2.2.2 柔性足底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于如上設(shè)計(jì)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(shí),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(duì)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(shí),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(shí)的壓力會(huì)分布到剛性連接點(diǎn)上,破壞人體自然行走時(shí)的壓力分布,故整個(gè)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。

2.2.3 傳感器的選擇

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(cè)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 0～10 kg之間,因此,傳感器的測(cè)量量程須大于 10 kg。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(shí)間小于 0.5μs,工作溫度在 -9℃～60℃,量程為 11 kg,即 110 N。上述參數(shù)均可滿足測(cè)量要求。

2.2.4 傳感器位置的選擇

在人體的解剖學(xué)上,人腳可以劃分若干個(gè)解剖區(qū)域,如圖 3所示。人在步行,站立等運(yùn)動(dòng)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[6-7]。測(cè)量相應(yīng)區(qū)域的壓力變化就能劃分出人體行走時(shí)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(gè)壓力采集點(diǎn),如圖 4所示,因?yàn)檫@六個(gè)點(diǎn)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(shí)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(shí)導(dǎo)力圈還能起到緩沖,保護(hù)傳感器的作用。

圖3 足部解剖圖

圖4 系統(tǒng)傳感器分布圖

2.3 信號(hào)處理單元設(shè)計(jì)

2.3.1 調(diào)理電路

信號(hào)處理單元包括多路信號(hào)調(diào)理電路,信號(hào)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(duì)多路壓力采集信號(hào)的增益,保持,提供電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的功能,為后續(xù)的信號(hào)采集處理單元提供合適的電壓信號(hào)。采用低溫漂,高精度的貼片式運(yùn)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(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)的精度,減少了周圍環(huán)境對(duì)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(hào)可被屏蔽層導(dǎo)入大地,避免干擾信號(hào)進(jìn)入導(dǎo)體,同時(shí)降低傳輸信號(hào)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 20 kΩ。R2選用 20 kΩ的貼片電阻,集成運(yùn)算放大器可以選擇為 MC34074.根據(jù)集成運(yùn)放公式計(jì)算得到輸出電壓,從上述公式可見,電壓輸出值在 0～5 V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(duì)輸出電壓信號(hào)進(jìn)行低通濾波,濾除高頻噪聲。

圖5 單路信號(hào)調(diào)理電路示意圖

2.3.2 采集單元

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,16 bit A/D轉(zhuǎn)換器,250 kHz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(shí)時(shí)性以及可擴(kuò)充能力的工業(yè)電腦 IPC-810A。在對(duì)人體行走時(shí)的足底受力進(jìn)行頻域分析后,發(fā)現(xiàn) 98%的信號(hào)低于 10 Hz,99%的信號(hào)低于 15 Hz。當(dāng)考慮到每個(gè)局部傳感器上可能測(cè)得的高頻分量,故本系統(tǒng)的采樣速率定位 100Hz。

2.4 數(shù)據(jù)采集處理程序設(shè)計(jì)

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(chǔ)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(shí),并有中斷程序模塊來控制。每一次中斷完成一個(gè)壓力點(diǎn)信息數(shù)據(jù)的采集以及相應(yīng)的 A/D轉(zhuǎn)換;同時(shí)讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果,對(duì)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。

圖6 上位機(jī)軟件處理流程示意圖

實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)會(huì)有不同程度的噪聲干擾,為了保證數(shù)據(jù)測(cè)量的可靠性,我們對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波處理[11]。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：

實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)除了有高頻噪聲外,還會(huì)有一些隨機(jī)干擾,為了消除隨機(jī)干擾的影響,需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。本文采用三點(diǎn)平均平滑法,將三點(diǎn)等距的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均后替換改點(diǎn)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 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 傳感器的標(biāo)定

在傳感器的標(biāo)定中,對(duì)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(cè)量,其測(cè)量值與所加砝碼數(shù)值的對(duì)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(jì)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(cè)量系統(tǒng)的要求。同時(shí)可計(jì)算得負(fù)載與電壓輸出比值為 18.71 N/V。

3.2 動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的感知系統(tǒng)的有效性,實(shí)驗(yàn)以一個(gè)體重 65 kg,足部正常的人為測(cè)量對(duì)象,步速 1.2m/s,直線行走,行走過程中左右足采集點(diǎn)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(cè)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(gè)基本相位的組合：擺動(dòng)相位和支撐相位。擺動(dòng)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%[8]。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可以看到當(dāng)采集點(diǎn) 6有壓力產(chǎn)生時(shí),則是支撐相位開始,采集點(diǎn) 1壓力消失時(shí)為擺動(dòng)相位的開始,兩者交替出現(xiàn),所占的時(shí)間比符合人體運(yùn)動(dòng)力學(xué)。同時(shí),還能從圖中看到在支撐相位時(shí),各采集點(diǎn)壓力峰值相繼出現(xiàn)符合人體行走中足部運(yùn)動(dòng)規(guī)律,能夠?yàn)楹罄m(xù)的人體行走相位劃分提供充分的數(shù)據(jù)支持。

圖7 負(fù)載與傳感器輸出關(guān)系圖

圖8 左右足壓力變化曲線

通過實(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(gè)相位。②需進(jìn)行多人次在各種行走狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn),建立起通用的數(shù)據(jù)庫(kù),為之后助力機(jī)器人控制器的設(shè)計(jì)提供低冗余,高精度的數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié)論

本文針對(duì)一種新型助力機(jī)器人,設(shè)計(jì)了一套柔性雙足壓力信息檢測(cè)裝置。根據(jù)生物力學(xué)原理,通過分析助力機(jī)器人控制信息采集需要,確定傳感器種類,數(shù)量以及安裝位置。該系統(tǒng)包括前端的足底壓力分布信息采集裝置與終端的信號(hào)處理單元兩部分。對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文的設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)過程是正確的。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能穩(wěn)定,響應(yīng)迅速,測(cè)得的數(shù)據(jù)特征明顯,重復(fù)性好,能夠?yàn)橹C(jī)器人的步態(tài)相位劃分提供充分的數(shù)據(jù)支持,可以滿足助力機(jī)器人控制系統(tǒng)的需要。

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利。

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