基于比例歸一化閾值的外骨骼步態(tài)識(shí)別方法

宋 鵬，莫新民，鄧亞萍，王 晶，韋祖拔

(西北機(jī)電工程研究所,陜西 咸陽(yáng) 712099)

目前中大口徑火炮的彈丸質(zhì)量和尺寸都比較大，人工裝填困難，如何在確保安全的前提下，快速完成炮彈裝填已成為難題[1]。外骨骼是一種將人的智力與機(jī)器體力完美結(jié)合的高端智能裝備，可為士兵提供助力，讓炮兵更加輕松、快速地完成炮彈搬運(yùn)和裝填的任務(wù)。炮兵穿戴外骨骼后不但能代替穿戴者本身承擔(dān)武器裝備和炮彈的質(zhì)量，還可以減少士兵正常行走時(shí)的體力消耗，這將顯著增強(qiáng)炮兵作戰(zhàn)的機(jī)動(dòng)性和耐久性[2-3]。盡可能發(fā)揮外骨骼的作用，而不至于成為士兵的“累贅”，這就要求其運(yùn)動(dòng)跟隨性能要好，即能夠及時(shí)跟隨穿戴它的士兵。足底傳感系統(tǒng)是外骨骼運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別最為關(guān)鍵的部分之一。筆者使用薄膜式壓力傳感器設(shè)計(jì)了一種外骨骼足底傳感系統(tǒng)，并提出了基于比例歸一化閾值的步態(tài)識(shí)別方法。

1 足底傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)

足底傳感系統(tǒng)是基于比例歸一化閾值步態(tài)識(shí)別方法的硬件基礎(chǔ)。它主要由傳感鞋和信號(hào)轉(zhuǎn)接板組成，它可以將足底所需部位受到的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為可供采集的電壓信號(hào)。

1.1 傳感鞋設(shè)計(jì)

在測(cè)足底壓力時(shí)，一般方法是選用測(cè)力鞋墊，所測(cè)壓力數(shù)據(jù)易受溫度影響，故無(wú)法連續(xù)測(cè)量足底壓力，而且測(cè)力鞋墊處于足與鞋之間，諸多干擾因素嚴(yán)重影響到了測(cè)量數(shù)據(jù)的有效性[4-7]。因此，筆者選用了薄膜式壓力傳感器安裝至鞋底的方式進(jìn)行足底壓力測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)上述分析，選用Tekscan公司生產(chǎn)的A401薄膜式壓力傳感器，如圖1所示。該傳感器柔韌性好，能夠測(cè)量相對(duì)力的變化和力變化的速率，可用于足底壓力測(cè)試。

在傳感器安裝布局上，考慮到人在靜止站立時(shí)或行走過(guò)程中足底壓力不是平均分布在足底的，壓力主要分布在足前部和足后部，內(nèi)足弓基本沒(méi)有受力，本實(shí)驗(yàn)將壓力傳感器安裝在鞋底，不考慮內(nèi)外足弓的壓力變化。在實(shí)驗(yàn)的鞋底安裝分區(qū)板，A401壓力傳感器布置在分區(qū)板的區(qū)域內(nèi)，然后粘貼一層耐磨橡膠墊，形成硬質(zhì)分區(qū)板、壓力傳感器、耐磨橡膠墊3層結(jié)構(gòu)。A401薄膜式壓力傳感器在對(duì)應(yīng)分區(qū)板上的位置如圖2所示。

1.2 信號(hào)轉(zhuǎn)接板設(shè)計(jì)

信號(hào)轉(zhuǎn)接板采用運(yùn)算放大器隔離放大，使用參考電壓UT=0.5 V激勵(lì)薄膜式壓力傳感器。整個(gè)電路由1個(gè)放大器和1個(gè)減法器組成，如圖3所示。其中放大器用于將薄膜式壓力傳感器小電流信號(hào)放大為電壓信號(hào)，減法器用于電壓信號(hào)的偏移和比例調(diào)節(jié)，使輸出電壓信號(hào)范圍在0～5 V之間，保證信號(hào)的完整性。另外采用兩級(jí)運(yùn)放串聯(lián)的電路設(shè)計(jì)方式，對(duì)于改善阻抗干擾有較好的作用。電路輸出電壓大小與傳感器阻值Rs關(guān)系如式(1)所示。

(1)

由于信號(hào)轉(zhuǎn)接板輸出電壓值和傳感器表面所受壓力成線性關(guān)系，線性誤差小于3%，并且信號(hào)響應(yīng)時(shí)間小于5 μs，因此在外骨骼設(shè)備中可提供更流暢的步態(tài)[8]。

2 數(shù)據(jù)采集與分析

對(duì)數(shù)據(jù)的采集和分析是基于比例歸一化閾值步態(tài)識(shí)別方法的前提。NI cRIO-9030是一種嵌入式的CompactRIO控制器，帶實(shí)時(shí)處理器和可重配置FPGA。NI cRIO-9030可將足底傳感系統(tǒng)采集到的壓力數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)，實(shí)驗(yàn)采樣頻率為100 Hz。在上位機(jī)LabVIEW軟件中即可得到實(shí)時(shí)的足底壓力數(shù)據(jù)，并可將采集到的數(shù)據(jù)保存為T(mén)DMS文件。

左右足底薄膜式壓力傳感器的電路結(jié)構(gòu)、參數(shù)均相同。采集到的其中兩個(gè)步態(tài)2.6 s內(nèi)足底各分區(qū)板典型壓力數(shù)據(jù)如圖4所示。由圖4可以看出人體行走足底壓力信號(hào)是周期性的。足尖部和足根部壓力較小，單只足底的壓力在支撐期呈雙凸形分布。

以左足為例，將各分區(qū)板上傳感器壓力數(shù)據(jù)取平均值后歸一化的曲線如圖5所示，其中分區(qū)板分別從足前部至后部稱為分區(qū)板1至分區(qū)板5。由圖5分析知人體平地行走時(shí)足底壓力總是沿足后部至足前部壓力依次達(dá)到最大值進(jìn)行的。這也是筆者提出基于比例歸一化閾值的步態(tài)識(shí)別方法的基本依據(jù)。

3 步態(tài)識(shí)別方法

通常來(lái)說(shuō)步態(tài)識(shí)別指的是步態(tài)時(shí)相的識(shí)別。步態(tài)時(shí)相又稱為步態(tài)相位，是對(duì)人體行走一個(gè)周期的詳細(xì)劃分。步態(tài)時(shí)相的正確識(shí)別對(duì)于外骨骼穩(wěn)定和實(shí)時(shí)控制有重要意義。

3.1 基于雙閾值的步態(tài)識(shí)別方法

目前，基于雙閾值的時(shí)相識(shí)別方法(直接閾值法)是最為簡(jiǎn)單、普遍的一種實(shí)時(shí)步態(tài)時(shí)相判定方法，一般分別在兩只足底前后各安裝一個(gè)壓力傳感器即可[9-10]。由于本實(shí)驗(yàn)鞋底分區(qū)板1和分區(qū)板2上傳感器處于鞋底的前后邊緣處，所測(cè)壓力過(guò)小。在選擇閾值時(shí)難以將干擾壓力信號(hào)區(qū)分開(kāi)，因此將其舍棄。可將足底分區(qū)板2和分區(qū)板3上的傳感器的壓力求和作為前腳掌壓力，將分區(qū)板4的壓力求和作為后腳掌壓力。選取合適的壓力值ON(1.2 V)和OFF(0.7 V)分別作為閾值判別前足或者后足是否與地面接觸。

規(guī)定壓力傳感器上壓力大于ON閾值則設(shè)為1，小于OFF閾值則為0，判定條件呈施密特觸發(fā)特性，從而求得足底前部和后部壓力分布曲線與對(duì)應(yīng)足底狀態(tài)，如圖6所示。直接閾值法不僅可以防止足在擺動(dòng)時(shí)足背屈等導(dǎo)致傳感器壓力變化所產(chǎn)生的誤判，還可以避免足與地面接觸時(shí)所測(cè)壓力在某個(gè)壓力值附近振蕩造成的識(shí)別紊亂。

將雙腳4個(gè)等效壓力值通過(guò)雙閾值判定后得到4位二進(jìn)制數(shù)，用8421碼表示，對(duì)應(yīng)16種時(shí)相，如表1所示。

表1 基于足底力識(shí)別輸出與時(shí)相對(duì)應(yīng)

在實(shí)際測(cè)試和分析中發(fā)現(xiàn)基于雙閾值的時(shí)相識(shí)別方法主要存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

1)同測(cè)試者因負(fù)重變化,或不同測(cè)試者因體重改變而使設(shè)定的經(jīng)驗(yàn)閾值無(wú)法準(zhǔn)確地判定步態(tài)時(shí)相。

2)足底壓力傳感器若要保證提高閾值減少毛刺干擾，需在安裝位置上避開(kāi)鞋底兩端的壓力不敏感區(qū)。這將導(dǎo)致判定足底時(shí)相時(shí)存在滯后現(xiàn)象。

3)即使足底壓力傳感器安裝在鞋底兩端并減少了干擾因素影響，但仍有可能導(dǎo)致判定的時(shí)相不連續(xù)(如同側(cè)足底壓力由正常的后足-前足轉(zhuǎn)變?yōu)楹笞?無(wú)壓力-前足)。

3.2 基于比例歸一化閾值的步態(tài)識(shí)別方法

針對(duì)雙閾值時(shí)相識(shí)別方法在實(shí)際測(cè)試中的問(wèn)題，筆者提出了基于比例歸一化閾值的時(shí)相識(shí)別方法。

比例歸一化方法為

(2)

足前部和足后部的壓力等效值為

(3)

該方法的算法流程圖如圖7所示。其中平均壓力值可以有效避免足底左右側(cè)壓力分布不均勻的影響；比例歸一化可以降低穿戴者負(fù)重不同和干擾信號(hào)的影響；等效壓力值可以使得單側(cè)足底前后壓力值的連貫性更強(qiáng)。

選取不同比例值對(duì)同一個(gè)步態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行步態(tài)識(shí)別，其中曲線a:k1=k2=k3=k4=1，k5=0;曲線b:

k1=0，k2=k3=k4=k5=1;曲線c:k1=k5=0.5，k2=1,k3=k4=0.8，識(shí)別結(jié)果如圖8所示。可以看出在閾值不變的情況下，僅改變比例值即可控制和改變時(shí)相識(shí)別結(jié)果。

為減少平地行走情況下腳跟著地和腳尖離地的識(shí)別時(shí)間，選取k1=0.5，k2=k3=k4=1，k5=0.8進(jìn)行時(shí)相識(shí)別；同時(shí)根據(jù)步態(tài)時(shí)相的劃分標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)驗(yàn)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行人工判別理想步態(tài)時(shí)相，如圖9所示?？梢钥闯霰壤龤w一化方法能夠較好地跟蹤理想步態(tài)時(shí)相。

3.3 兩種步態(tài)識(shí)別方法對(duì)比

比例歸一化閾值法和直接閾值法對(duì)同一個(gè)步態(tài)采樣數(shù)據(jù)的時(shí)相識(shí)別結(jié)果如圖10所示。從中可以看出比例歸一化閾值法較直接閾值法減少了30～60 ms左右的識(shí)別時(shí)間，識(shí)別的結(jié)果更接近于實(shí)際情況。識(shí)別結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)改進(jìn)的識(shí)別算法在單足支撐相(時(shí)相值3、12)變短、雙足支撐相 (時(shí)相值6、9) 變長(zhǎng)，使得外骨骼穩(wěn)定性增強(qiáng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

為提高外骨骼的運(yùn)動(dòng)跟隨能力，設(shè)計(jì)了一種基于薄膜式壓力傳感器的外骨骼足底傳感系統(tǒng)，并完成了平地行走的足底壓力數(shù)據(jù)采集。采用足底傳感系統(tǒng)采集，并解算出足底壓力信號(hào)，提出了一種基于比例歸一化閾值的步態(tài)識(shí)別方法。使用測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)基于雙閾值的步態(tài)識(shí)別算法和基于比例歸一化閾值的步態(tài)識(shí)別算法進(jìn)行了比較和分析，發(fā)現(xiàn)后者的步態(tài)識(shí)別結(jié)果較好，與直接閾值法相比，通過(guò)靈活選取比例值和歸一化的思路使得算法魯棒性更好、適用面更廣、對(duì)不同人及不同負(fù)載下的適應(yīng)能力更強(qiáng)，甚至可以提高算法識(shí)別的靈敏度。本文對(duì)外骨骼傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)和步態(tài)識(shí)別研究有一定的指導(dǎo)作用，為炮兵穿戴外骨骼后搬運(yùn)、裝填炮彈，達(dá)到人機(jī)耦合的目的提供了理論參考。

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