下肢助力外骨骼機器人步態(tài)模式識別方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種下肢助力外骨骼機器人步態(tài)模式識別方法及系統(tǒng)，通過內(nèi)嵌在下肢助力外骨骼機器人鞋底處的壓力傳感裝置對穿戴者的腳底壓力信息進行檢測，把獲得的腳底壓力信息與人體步態(tài)數(shù)據(jù)庫內(nèi)的行走模式進行比較匹配，判斷出行走模式，并對一個步態(tài)周期內(nèi)的運動相進行識別，判斷得出運動相；進行數(shù)據(jù)處理分析，匹配識別后的結(jié)果傳輸給下肢助力外骨骼機器人控制系統(tǒng)，作為控制依據(jù)。本發(fā)明提供下肢助力外骨骼穿戴者的行走模式及在每一個步態(tài)周期內(nèi)詳細的運動相位，為下肢助力外骨骼的控制提供了豐富的決策依據(jù)。不僅能為下肢助力外骨骼提供穿戴者的運動信息，還可廣泛應(yīng)用于人體步態(tài)識別。
【專利說明】下肢助力外骨骼機器人步態(tài)模式識別方法及系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于足底測力檢測系統(tǒng)的下肢助力外骨骼機器人步態(tài)模式識別方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]下肢助力外骨骼機器人結(jié)合了人與機器人的優(yōu)點，把人與機器人組合在一個系統(tǒng)里，充分發(fā)揮人的動作導(dǎo)向能力與機器人承擔負載的能力。此下肢助力外骨骼機構(gòu)能被穿戴者穿在身上，并時刻保持與穿戴者一致的行走動作，像人體的外骨骼一樣代替人體承擔外部負載，從而達到行走助力的目的。
[0003]為了緩解大負重、長距離行走引起的下肢傷痛問題；人口老齡化日益加劇帶來的社會問題；及由于交通、地震災(zāi)害等引起的下肢傷殘等問題；故對此種人機一體化的下肢助力外骨骼系統(tǒng)進行研究具有重要的意義，且將具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0004]對于下肢助力外骨骼機器人的控制，其中最關(guān)鍵的因素是采集穿戴者的運動意圖及運動趨勢，只有很好的獲取穿戴者的運動意圖，才能對下肢助力外骨骼進行控制，使其快速的跟隨穿戴者進行有效助力。 [0005]目前，對穿戴者運動意圖的獲取一類是進行肌電信號、腦電信號的檢測，由于肌電、腦電信號存在信號微弱，不穩(wěn)定的缺點，使得信號的采集、處理及分析都非常復(fù)雜。
[0006]另一類是通過在穿戴者身上安裝角度、加速度傳感裝置，并檢測穿戴者的腳底力信息進行運動信息的檢測，進而對下肢外骨骼實施控制。在腳底力信息檢測中，設(shè)計一套便于穿戴，能準確獲取人體的行走模式及一個步態(tài)周期內(nèi)確切運動相位的測力系統(tǒng)非常重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對下肢助力外骨骼機器人控制中存在的問題及對穿戴者行走運動模式識別的需求，本發(fā)明提供了一種人體運動模式識別方法，通過內(nèi)嵌在機器人鞋底處的壓力傳感裝置對穿戴者的腳底壓力信息進行檢測，設(shè)計信號調(diào)理電路，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、無線傳輸模塊等獲得腳底壓力信息，把獲得的腳底壓力信息與人體步態(tài)數(shù)據(jù)庫內(nèi)的行走模式進行比較匹配，判斷出其行走模式，并對一個步態(tài)周期內(nèi)的運動相進行識別，實現(xiàn)下肢助力外骨骼機器人運動狀態(tài)的實時檢測，便于機器人的運動控制。
[0008]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
一種下肢助力外骨骼機器人步態(tài)模式識別方法，
內(nèi)嵌在下肢助力外骨骼機器人鞋底處的壓力傳感裝置對穿戴者的腳底壓力信息進行檢測，通過信號調(diào)理電路、無線傳輸模塊使數(shù)據(jù)處理模塊獲得腳底壓力信息；
數(shù)據(jù)處理模塊將獲得的腳底壓力信息與人體步態(tài)數(shù)據(jù)庫內(nèi)的行走模式進行比較匹配，判斷得出行走模式，并對一個步態(tài)周期內(nèi)的運動相進行識別，判斷得出運動相位；
進行數(shù)據(jù)處理分析，匹配識別后的結(jié)果傳輸給下肢助力外骨骼機器人的控制系統(tǒng)，作為控制依據(jù)。
[0009]優(yōu)選地，數(shù)據(jù)庫中存放有運動模式的特征參數(shù)，包括人體平地行走、樓梯行走、斜坡行走、跳躍、下蹲、跑步運動模式下的腳底力信息。
[0010]優(yōu)選地，分析得出在一個步態(tài)周期內(nèi)的運動相位:
當后腳跟壓力小于預(yù)設(shè)閾值，前腳掌壓力逐漸增加時，表示穿戴者正在蹬離地面；
當前腳掌與后腳跟的壓力均小于預(yù)設(shè)閾值時，表示穿戴者進入擺動腿工作模式階段； 當后腳跟壓力逐漸增大，而前腳掌壓力小于預(yù)設(shè)閾值時，表示穿戴者進入腳跟著地階
段；
當后腳跟與前腳掌壓力均大于預(yù)設(shè)閾值時，表示穿戴者進入支撐腿工作模式階段。
[0011]一種下肢助力外骨骼機器人步態(tài)模式識別系統(tǒng)，用于獲得腳底壓力信息并識別出的下肢助力外骨骼運動模式，并將識別出的運動相位上傳給上位機的控制系統(tǒng)，為控制系統(tǒng)進行下肢助力外骨骼運動控制提供依據(jù)；
包括內(nèi)嵌在測力鞋內(nèi)的上層鞋墊和下層鞋墊間的PVDF壓力傳感器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、無線傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理模塊；
通過內(nèi)嵌在下肢助力外骨骼機器 人足部的壓力鞋墊對穿戴者的運動意圖進行實時檢
測；
信號調(diào)理電路、無線傳輸模塊使數(shù)據(jù)處理模塊獲得腳底壓力信息；
數(shù)據(jù)處理模塊將獲得的腳底壓力信息與人體步態(tài)數(shù)據(jù)庫內(nèi)的行走模式進行比較匹配，判斷得出行走模式，并對一個步態(tài)周期內(nèi)的運動相進行識別，判斷得出運動相位；
進行數(shù)據(jù)處理分析，匹配識別后的結(jié)果傳輸給下肢助力外骨骼機器人的控制系統(tǒng)，作為控制依據(jù)。
[0012]優(yōu)選地，信號調(diào)理電路包括電荷放大電路、低通濾波電路、電壓放大電路；
在積分電路中，采用高輸入阻抗CA3140作為前置運放；
在低通濾波電路中，采用0P07芯片組合電容、電阻形成的二階Butterworth有源低通濾波電路；
在電壓放大電路中，采用高增益運算放大器UA741芯片，提供輸出短路保護和閉鎖的自由運作。
[0013]優(yōu)選地，如權(quán)利要求4所述的下肢助力外骨骼機器人步態(tài)模式識別方法，其特征在于:PVDF壓力傳感器位于鞋墊的中層，在每只腳中布局方式為前腳掌5個，后腳跟3個。
[0014]優(yōu)選地，如權(quán)利要求4所述的下肢助力外骨骼機器人步態(tài)模式識別方法，其特征在于:數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊采用多路的A/D轉(zhuǎn)換，使用集成的數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡模擬輸入端端口數(shù)大于兩足的傳感點數(shù)量。
[0015]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明提供下肢助力外骨骼穿戴者的行走模式及在每一個步態(tài)周期內(nèi)詳細的運動相位，為下肢助力外骨骼的控制提供了豐富的決策依據(jù)。不僅能為下肢助力外骨骼提供穿戴者的運動信息，還可廣泛應(yīng)用于人體步態(tài)識別。而采用鞋墊式壓力檢測系統(tǒng)，內(nèi)嵌在外骨骼機器人鞋內(nèi)，具有穿戴方便的優(yōu)點。采用無線傳輸方法，使得穿戴者擺脫了電纜等傳統(tǒng)物理媒介的束縛。
【專利附圖】

【附圖說明】[0016]圖1是實施例中運動模式識別的說明框圖；
圖2是實施例中基于PVDF的壓力傳感器在腳底的布置示意圖；
圖3是信號調(diào)理電路中電荷放大電路圖；
圖4是信號調(diào)理電路中二階低通濾波電路圖；
圖5是信號調(diào)理電路中電壓放大電路圖；
圖6是步態(tài)周期內(nèi)人體的步態(tài)相位分析示意圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
[0018]本發(fā)明是一種下肢助力外骨骼機器人步態(tài)模式識別方法，為下肢助力外骨骼機器人提供控制決策，如圖1所示。
[0019]首先，內(nèi)嵌在下肢助力外骨骼機器人鞋底處的壓力傳感裝置對穿戴者的腳底壓力信心進行檢測，通過信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊及無線傳輸模塊等獲得腳底壓力信息。
[0020]由獲得的腳底壓力信息與數(shù)據(jù)庫中的人體步態(tài)特征相匹配。人體步態(tài)數(shù)據(jù)庫中存放了人體平地行走、樓梯行走、斜坡行走、跳躍、下蹲、跑步等各種運動模式下的腳底力信息。由匹配結(jié)果，初判下肢助力外骨骼機器人處于何種運動模式。
[0021]把獲得的腳底壓力信息與人體步態(tài)數(shù)據(jù)庫內(nèi)的行走模式進行比較匹配，判斷出其行走模式，并對一個步態(tài)周期內(nèi)的運動相進行識別，判斷其處于腳跟著地階段、腳底放平支撐階段、腳尖蹬離地面階段及擺動階段中的哪一種運動相位。
[0022]對獲取信息進行運動模式下的進一步的步態(tài)識別，分別對前腳掌的及后腳跟的傳感器輸出壓力進行預(yù)設(shè)閾值的比較，當后腳跟壓力小于預(yù)設(shè)閾值，前腳掌壓力逐漸增加時，表示穿戴者正在蹬離地面；當前腳掌與后腳跟的壓力均小于預(yù)設(shè)閾值時，表示穿戴者進入擺動腿工作模式階段；當后腳跟壓力逐漸增大，而前腳掌壓力小于預(yù)設(shè)閾值時，表示穿戴者進入腳跟著地階段；當后腳跟與前腳掌壓力均大于預(yù)設(shè)閾值時，表示穿戴者進入支撐腿工作模式階段。
[0023]把識別出的下肢助力外骨骼運動模式傳輸給上位機控制控制系統(tǒng)，進行下肢助力外骨骼機器人的運動控制。
[0024]其中，壓力傳感器的布局圖如圖2所示，前腳掌有5個，后腳跟有3個，前腳掌或后腳跟的壓力傳感器均層三角形分布。PVDF固定在上、下夾層中。
[0025]信號調(diào)理電路，包含電荷放大電路，也稱為積分電路，二階低通濾波電路及電壓放大電路。由于PVDF壓電薄膜輸出信號非常微弱，要把信號通過前置電荷放大器放大，電荷放大器本質(zhì)上是一個積分電路，即將傳感器輸出的電荷，在積分電容上累積然后以電壓的形式輸出，故也稱前置電荷-電壓轉(zhuǎn)換電路。電荷放大電路是個非常靈敏的電路，很有可能就將干擾信號引進到電路中，因此需對經(jīng)過電荷放大路輸出的信號進行濾波，必須有濾波電路。采用低溫漂、高精度的貼片式運放與電阻電容，減少了電路板的尺寸。在傳感單元與電路板之間，采用多芯的屏蔽線連接，可屏蔽外來的干擾信號，同時降低傳輸信號的損耗。
[0026]如圖3所示，在積分電路中，選用高輸入阻抗CA3140作為前置運放。同時電路還包含反饋電容Cl及反饋電阻R2兩個重要元器件。另外，為了保護運放CA3140，在其反相輸入端串接電阻R3，并在R3兩端并聯(lián)電容C3，實現(xiàn)相位補償，這樣則可避免R3與運放CA3140的輸入電容構(gòu)成兩一個極點，使運放產(chǎn)生自激振蕩。
[0027]如圖4所示，在低通濾波電路中，采用0P07芯片組合電容、電阻形成的二階Butterworth有源低通濾波電路。如圖5所示,在電壓放大電路中，采用高增益運算放大器UA741芯片，這類單片硅集成電路器件提供輸出短路保護和閉鎖的自由運作。
[0028]在數(shù)據(jù)庫中存放了各種運動模式的特征參數(shù)，包括人體平地行走、樓梯行走、斜坡行走、跳躍、下蹲、跑步等各種運動模式下的腳底力信息。進行各種運動的模式的實驗研究，提取其腳底壓力運動特征，存放數(shù)據(jù)庫中，便于下肢助力外骨骼實時運動中壓力信息的匹配比較及行走模式的判定。
[0029]為根據(jù)獲取的信息,進行精確的步態(tài)相位識別，圖6為平地行走運動中一個步態(tài)周期內(nèi)的運動相位圖，從相位圖中可看出，在一個步態(tài)周期內(nèi)，人體的運動可分為支撐期與擺動期，再進一步細化可分為足跟著地、全足放平、支撐中期、腳跟離地、腳尖離地、加速推離、擺動中相及減速著地階段。根據(jù)分布在前腳掌的5個傳感器及后腳跟的3個傳感器信息，可對運動相位進行分析，例如，當后腳跟壓力小于預(yù)設(shè)閾值，前腳掌壓力逐漸增加時，表示穿戴者正在蹬離地面；當前腳掌與后腳跟的壓力均小于預(yù)設(shè)閾值時，表示穿戴者進入擺動腿工作模式階段；當后腳跟壓力逐漸增大，而前腳掌壓力小于預(yù)設(shè)閾值時，表示穿戴者進入腳跟著地階段；當后腳跟與前腳掌壓力均大于預(yù)設(shè)閾值時，表示穿戴者進入支撐腿工作模式階段。
[0030]把識別出的運動相位上傳給上位機的控制系統(tǒng)，便于下肢助力外骨骼控制策略的實施。
[0031]上述各實施例例僅用于說明本發(fā)明，腳底壓力傳感器的選取及布局、信號調(diào)理電路的設(shè)計、步態(tài)模式的識別 流程均可以有所變化，在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠用顯而易見地想到的一些變型或替代的方案，均應(yīng)落入本發(fā)明保護的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種下肢助力外骨骼機器人步態(tài)模式識別方法，其特征在于: 內(nèi)嵌在下肢助力外骨骼機器人鞋底處的壓力傳感裝置對穿戴者的腳底壓力信息進行檢測，通過信號調(diào)理電路、無線傳輸模塊使數(shù)據(jù)處理模塊獲得腳底壓力信息； 數(shù)據(jù)處理模塊將獲得的腳底壓力信息與人體步態(tài)數(shù)據(jù)庫內(nèi)的行走模式進行比較匹配，判斷得出行走模式，并對一個步態(tài)周期內(nèi)的運動相進行識別，判斷得出運動相位； 進行數(shù)據(jù)處理分析，匹配識別后的結(jié)果傳輸給下肢助力外骨骼機器人的控制系統(tǒng)，作為控制依據(jù)。
2.如權(quán)利要求1所述的下肢助力外骨骼機器人步態(tài)模式識別方法，其特征在于，數(shù)據(jù)庫中存放有運動模式的特征參數(shù)，包括人體平地行走、樓梯行走、斜坡行走、跳躍、下蹲、跑步運動模式下的腳底力信息。
3.如權(quán)利要求1或2所述的下肢助力外骨骼機器人步態(tài)模式識別方法，其特征在于:對一個步態(tài)周期內(nèi)的運動相位進行識別； 當后腳跟壓力小于預(yù)設(shè)閾值，前腳掌壓力逐漸增加時，表示穿戴者正在蹬離地面； 當前腳掌與后腳跟的壓力均小于預(yù)設(shè)閾值時，表示穿戴者進入擺動腿工作模式階段； 當后腳跟壓力逐漸增大，而前腳掌壓力小于預(yù)設(shè)閾值時，表示穿戴者進入腳跟著地階段； 當后腳跟與前腳掌壓力均大于預(yù)設(shè)閾值時，表示穿戴者進入支撐腿工作模式階段。
4.一種實現(xiàn)權(quán)利要求1-3任一項所述方法的系統(tǒng)，用于獲得腳底壓力信息并識別出的下肢助力外骨骼運動模式，并將識別出的運動相位上傳給上位機的控制系統(tǒng)，為控制系統(tǒng)進行下肢助力外骨骼運動控制提供依 據(jù)；其特征在于: 包括內(nèi)嵌在測力鞋內(nèi)的上層鞋墊和下層鞋墊間的PVDF壓力傳感器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、無線傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理模塊； 通過內(nèi)嵌在下肢助力外骨骼機器人足部的壓力鞋墊對穿戴者的運動意圖進行實時檢測； 信號調(diào)理電路、無線傳輸模塊使數(shù)據(jù)處理模塊獲得腳底壓力信息； 數(shù)據(jù)處理模塊將獲得的腳底壓力信息與人體步態(tài)數(shù)據(jù)庫內(nèi)的行走模式進行比較匹配，判斷得出行走模式，并對一個步態(tài)周期內(nèi)的運動相進行識別，判斷得出運動相位； 進行數(shù)據(jù)處理分析，匹配識別后的結(jié)果傳輸給下肢助力外骨骼機器人的控制系統(tǒng)，作為控制依據(jù)。
5.如權(quán)利要求4所述的下肢助力外骨骼機器人步態(tài)模式識別系統(tǒng)，其特征在于，信號調(diào)理電路包括電荷放大電路、低通濾波電路、電壓放大電路； 在積分電路中，采用高輸入阻抗CA3140作為前置運放； 在低通濾波電路中，采用0P07芯片組合電容、電阻形成的二階Butterworth有源低通濾波電路； 在電壓放大電路中，采用高增益運算放大器UA741芯片，提供輸出短路保護和閉鎖的自由運作。
6.如權(quán)利要求4所述的下肢助力外骨骼機器人步態(tài)模式識別系統(tǒng)，其特征在于:PVDF壓力傳感器位于鞋墊的中層，在每只腳中布局方式為前腳掌5個，后腳跟3個。
7.如權(quán)利要求4-6任一項所述的下肢助力外骨骼機器人步態(tài)模式識別系統(tǒng)，其特征在于:數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊采用多路的a/d轉(zhuǎn)換，使用集成的數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡模擬輸入端端口數(shù)大于兩足的傳感點數(shù)量。
【文檔編號】A61H3/00GK103876756SQ201410155426
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年4月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月18日
【發(fā)明者】韓亞麗, 朱松青, 高海濤, 祁兵, 于建銘 申請人:南京工程學(xué)院