一種可穿戴式氣動下肢康復機器人復合感知系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種可穿戴式氣動下肢康復機器人復合感知系統引入了多種傳感器和兩種仲裁裝置，相對于其他下肢康復訓練設備，本實用新型更便宜，提高了系統穩定性和柔順性，大大減輕了對病人的二次傷害，并在主動訓練時能更好的跟隨人體運動。
【專利說明】一種可穿戴式氣動下肢康復機器人復合感知系統
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于下肢康復設備【技術領域】，更為具體地講，涉及一種可穿戴式氣動下肢康復機器人復合感知系統。
【背景技術】
[0002]隨著社會的發展，偏癱患者的生活漸漸地得到了社會的普遍關注，他們對康復訓練設備的需求也越發迫切；下肢康復訓練機械作為康復治療的一種機械設備，正是在這樣的背景下得到了迅速發展。對可穿戴型步行助力機器人來說，因外骨髂的運動以人的意圖為導向，需實時、準確的檢測人體運動參數，而人體運動參數具有時變性和復雜性的特點，這對機器人的感知系統提出了更高的要求。康復機器人設備中最重要的一環就是感知系統的設計。病人的實時步態需要通過感知系統來獲得，感知系統采集的數據也是控制信號的根據。
[0003]目前市場上的同類產品的感知系統大多是基于采集角度加速度信息或者采集肌電信號；以上兩者中，雖然角度傳感器檢測人體運動位置與加速度傳感器檢測人體運動趨勢，而且方法簡單，但是角度信息和加速度信息都滯后于力信息，這樣可能使控制滯后，穿戴機器人的柔順性降低。而且其角度傳感器安裝有一定難度，加速度傳感器對人體運動反映過于敏感，可能會檢測一些震動信息，從而引入誤判。由于肌電傳感器是根據肌肉活動時皮膚表面傳送的微弱電流信號或肌肉的軟硬程度來推斷人的行為意識，導致所采用的大部分傳感器要與人體肌膚直接接觸并粘貼在肌膚上，需要特別的固定裝置，這樣直接導致穿戴上的不方便；人體分泌的汗液、傳感器安裝的好壞等將影響所獲取信息的穩定與準確性，而且信息量大而復雜，易受干擾，從而使控制易于滯后。另外肌電裝置價格昂貴，不適合廣泛的推向普通市場。以上兩者均有較大的性能提升空間。
實用新型內容
[0004]本實用新型的目的在于克服現有不足，提供一種可穿戴式氣動下肢康復機器人復合感知系統，以解決現有下肢康復設備感知系統控制信息滯后，步態誤判率高和價格昂貴的問題，進一步提高康復設備的柔順性和準確性。
[0005]為實現上述目的，本實用新型可穿戴式氣動下肢康復機器人復合感知系統，其特征在于，包括:
[0006]背包(I)、髖關節處編碼器(2)、大腿處二維力傳感器(3)、大腿處加速度傳感器
(4)、膝關節處編碼器(5)、小腿處二維力傳感器(6)、小腿處加速度傳感器(7)、六維力/力矩傳感器(8)、腳底壓力傳感器(9)；
[0007]所述背包包含兩部分，一是下位機，所述下位機是指安放在背包中的單片機和相應的電路結構，該結構主要用以進行反饋和步態數據的采集，處理，并通過CAN總線傳遞給上位機。二是上位機，所述上位機是指安放在背包中的ARM板和相應電路結構，該結構主要用來接收下位機處理好的數據，通過一定的控制策略對執行器件輸出執行命令。上位機中設置兩種軟件仲裁機構，仲裁機構一用來接收上述傳感器的中斷申請，并接收先申請中斷的傳感器數據，自動放棄后到達的數據。這樣就成功采集到了最實時的反饋信息。仲裁機構二是用來接收上述兩種傳感器檢測的步態信息，并和通過利用圖像捕捉和測力臺獲得的標準步態信息進行擬合，自動選擇更為接近的一組步態信息作為當前的步態值。
[0008]所述的安裝在膝關節、髖關節處的編碼器(2)、(5)為絕對值編碼器即角度傳感器，絕對值編碼器用來測量膝關節和髖關節的實時角度；
[0009]所述大腿處加速度傳感器(4)、小腿處加速度傳感器(7)用于測量安裝在外骨骼大腿、小腿的加速度值，并提供給上位機的控制系統，作為控制反饋；
[0010]所述大腿處二維力傳感器(3)、小腿處二維力傳感器(6)是指安裝在機器人大腿和小腿機械結構上的用以測量人體和機械裝置間相互作用力的二維壓力傳感器，用于獲得的壓力信息，并提供給上位機的控制系統，作為控制反饋；
[0011]所述腳底壓力傳感器(9)為安裝在腳底的一維力傳感器，用以測量地面對人腳底的反力，腳底信息提供給上位機，用來進行步態周期的劃分；
[0012]所述六維力/力矩傳感器(8)為六維力傳感器、姿態傳感器和柔性力傳感器陣列，指安裝在機器人腳部的實現對姿態信息的實時高速采集與處理的三種傳感器。
[0013]本實用新型的目的是這樣實現的:
[0014]本實用新型可穿戴式氣動下肢康復機器人復合感知系統引入了多種傳感器和兩種仲裁裝置，相對于其他下肢康復訓練設備，本實用新型更便宜，提高了系統穩定性和柔順性，大大減輕了對病人的二次傷害，并在主動訓練時能更好的跟隨人體運動。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1是本實用新型可穿戴式氣動下肢康復機器人復合感知系統一種【具體實施方式】結構圖；
[0016]圖2是圖1所示腳底壓力傳感器與六維力/力矩傳感器的安裝位置圖；
[0017]圖3是圖1所示可穿戴式氣動下肢康復機器人復合感知系統的工作原理圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖對本實用新型的【具體實施方式】進行描述，以便本領域的技術人員更好地理解本實用新型。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當已知功能和設計的詳細描述也許會淡化本實用新型的主要內容時，這些描述在這里將被忽略。
[0019]圖1是本實用新型可穿戴式氣動下肢康復機器人復合感知系統一種【具體實施方式】結構圖。
[0020]在本實施例中，如圖1所示，本實用新型可穿戴式氣動下肢康復機器人復合感知系統包括:背包1、髖關節處編碼器2、大腿處二維力傳感器3、大腿處加速度傳感器4、膝關節處編碼器5、小腿處二維力傳感器6、小腿處加速度傳感器7、六維力/力矩傳感器8、腳底壓力傳感器9分別安裝于相應位置處，采集相應的傳感器信息送到上位機進行感知。
[0021]圖2是圖1所示的圖二為腳底壓力傳感器與六維力/力矩傳感器的安裝位置圖。
[0022]六維力/力矩傳感器8輸出的模擬信號經過電壓跟隨其后接入下位機進行AD轉換，下位機將得到的數據經CAN總線與上位機進行通信。姿態傳感器是送入下位機經AD轉換后與上位機進行通信。柔性力傳感器經應變電橋調零電路放大電路濾波電路后到達下位機進行AD變換數字濾波后經CAN總線與上位機進行通信。腳底壓力信號RC濾波電路后送入下位機進行AD轉換，通過CAN總線與上位機進行通信。編碼器獲得的模擬量直接送入下位機進行AD轉換。經CAN總線與上位機進行通信。
[0023]圖3是圖1所示可穿戴式氣動下肢康復機器人復合感知系統的工作原理圖。
[0024]在本實施例中，如圖3所示，編碼器采集髖關節、膝關節的角度信息，二維力傳感器采集人體與骨架的接觸力信息，加速度傳感器采集大腿、小腿的加速度信息，壓力傳感器采集交底壓力信息，六維力/力矩傳感器采集腳部姿態信息，然后通過Can總線發送給下位機中的采集板塊，再發送到上位機的控制板卡，從而實現對人體的感知。
[0025]盡管上面對本實用新型說明性的【具體實施方式】進行了描述，以便于本【技術領域】的技術人員理解本實用新型，但應該清楚，本實用新型不限于【具體實施方式】的范圍，對本【技術領域】的普通技術人員來講，只要各種變化在所附的權利要求限定和確定的本實用新型的精神和范圍內，這些變化是顯而易見的，一切利用本實用新型構思的發明創造均在保護之列。
【權利要求】
1.一種可穿戴式氣動下肢康復機器人復合感知系統，其特征在于，包括: 背包(I)、髖關節處編碼器(2)、大腿處二維力傳感器(3)、大腿處加速度傳感器(4)、膝關節處編碼器(5)、小腿處二維力傳感器(6)、小腿處加速度傳感器(7)、六維力/力矩傳感器(8)、腳底壓力傳感器(9); 所述背包包含兩部分，一是下位機，所述下位機是指安放在背包中的單片機和相應的電路結構，該結構主要用以進行反饋和步態數據的采集，處理，并通過CAN總線傳遞給上位機；二是上位機，所述上位機是指安放在背包中的ARM板和相應電路結構，該結構主要用來接收下位機處理好的數據，通過一定的控制策略對執行器件輸出執行命令； 所述的安裝在膝關節處的編碼器(5)、髖關節處的編碼器(2)為絕對值編碼器即角度傳感器，絕對值編碼器用來測量膝關節和髖關節的實時角度； 所述大腿處加速度傳感器(4)、小腿處加速度傳感器(7)用于測量安裝在外骨骼大腿、小腿的加速度值，并提供給上位機的控制系統，作為控制反饋； 所述大腿處二維力傳感器(3)、小腿處二維力傳感器(6)是指安裝在機器人大腿和小腿機械結構上的用以測量人體和機械裝置間相互作用力的二維壓力傳感器，用于獲得的壓力信息，并提供給上位機的控制系統，作為控制反饋； 所述腳底壓力傳感器(9)為安裝在腳底的一維力傳感器，用以測量地面對人腳底的反力，腳底信息提供給上位機，用來進行步態周期的劃分； 所述六維力/力矩傳感器(8)為六維力傳感器、姿態傳感器和柔性力傳感器陣列，指安裝在機器人腳部的實現對姿態信息的實時高速采集與處理的三種傳感器。
【文檔編號】A63B23/04GK203417440SQ201320293823
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年5月27日 優先權日:2013年5月27日
【發明者】葛樹志, 賀威, 王茂永, 唐皓月 申請人:電子科技大學