鄭成聞,宋全軍,佟麗娜,陳 煒 ,葛運(yùn)建*

1.中國科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所,合肥230031 2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)自動化系,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)器的動力結(jié)合在一起,讓機(jī)器來感知人類運(yùn)動的意圖,從而通過機(jī)器提供動力,擴(kuò)展人體特定部位的運(yùn)動能力,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)動信息來提供動力援助的,是以人為中心[9],所以說如何獲取人體運(yùn)動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)國內(nèi)外的研究成果和研究方案,按人體運(yùn)動信息來源劃分,主要可以分為以下兩類[12]：(1)肌電信息：通過測量肌肉活動中的電信號,獲取人體運(yùn)動意圖,實時規(guī)劃人體運(yùn)動步態(tài)。典型的代表有日本的HAL系列等[2-3]。雖然說肌電信號作為肌肉最直接的反映,在實時性上具備優(yōu)勢,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,存在多次測量不一致性,以及不同使用者的身體狀況差異都會影響系統(tǒng)實際運(yùn)行效果。(2)關(guān)節(jié)角度與接觸力信息：通過測量人體行走中的關(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yobotics公司的RoboKnee,南洋理工的Lower Extremity Exoskeleton等。但是此類裝置在測量足底壓力時僅僅采用壓力開關(guān),因此它無法檢測行走過程中人體的重心移動,也無法檢測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

整個機(jī)器人主要由外骨骼機(jī)械模塊,驅(qū)動單元模塊,控制單元模塊,足底壓力信息采集處理模塊四部分組成。步行是高度自動化的動作,因此為了完成復(fù)雜的協(xié)調(diào)動作,外骨骼機(jī)械模塊需要有多個自由度。此步行助力機(jī)器人共有 14個自由度,單腿為 7個自由度,其中包括踝關(guān)節(jié)的彎曲/伸展,外展 /內(nèi)收,旋轉(zhuǎn)3個自由度,膝關(guān)節(jié)的彎曲/伸展 1個自由度,髖關(guān)節(jié)的彎曲/伸展,外展/內(nèi)收,旋轉(zhuǎn) 3個自由度。該設(shè)計符合人體生物力學(xué),達(dá)到與人體腿部運(yùn)動相協(xié)調(diào),互相不產(chǎn)生運(yùn)動干涉的設(shè)計要求。步行助力機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖 1所示。驅(qū)動模塊由六個 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)的六個自由度為主動自由度,為穿戴者提供助力,其他自由度均為被動。

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

2.1 柔性雙足感知系統(tǒng)設(shè)計

當(dāng)人體運(yùn)動時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,對人體運(yùn)動以及平衡控制產(chǎn)生巨大的影響[5]。因此可以通過測量人體運(yùn)動時足底壓力分布信息,以此來獲取人體運(yùn)動意圖信息,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

2.2.1 設(shè)計原則

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采集點(diǎn)構(gòu)成的壓力信號傳感單元。在設(shè)計柔性足部時需遵循以下原則：(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,盡量減少對人體行走中足底壓力信息測量的干擾。(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

基于如上設(shè)計思想原則,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,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,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?？紤]到若三層用螺釘?shù)葎傂赃B接,人體行走時的壓力會分布到剛性連接點(diǎn)上,破壞人體自然行走時的壓力分布,故整個三層結(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解剖區(qū)域,如圖 3所示。人在步行,站立等運(yùn)動中,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]。測量相應(yīng)區(qū)域的壓力變化就能劃分出人體行走時的步態(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,本文選擇了六個壓力采集點(diǎn),如圖 4所示,因為這六個點(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 信號處理單元設(shè)計

2.3.1 調(diào)理電路

信號處理單元包括多路信號調(diào)理電路,信號采集單元以及上位機(jī)控制處理單元。調(diào)理電路需提供對多路壓力采集信號的增益,保持,提供電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號的功能,為后續(xù)的信號采集處理單元提供合適的電壓信號。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轉(zhuǎn)化為電壓信號的精度,減少了周圍環(huán)境對其干擾。在傳感單元與電路板之間,可采用多芯的屏蔽線連接,外來的干擾信號可被屏蔽層導(dǎo)入大地,避免干擾信號進(jìn)入導(dǎo)體,同時降低傳輸信號的損耗。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,對輸出電壓信號進(jìn)行低通濾波,濾除高頻噪聲。

圖5 單路信號調(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,高實時性以及可擴(kuò)充能力的工業(yè)電腦 IPC-810A。在對人體行走時的足底受力進(jìn)行頻域分析后,發(fā)現(xiàn) 98%的信號低于 10 Hz,99%的信號低于 15 Hz。當(dāng)考慮到每個局部傳感器上可能測得的高頻分量,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

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

實驗測得的數(shù)據(jù)會有不同程度的噪聲干擾,為了保證數(shù)據(jù)測量的可靠性,我們對采集數(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：

實驗測得的數(shù)據(jù)除了有高頻噪聲外,還會有一些隨機(jī)干擾,為了消除隨機(jī)干擾的影響,需對數(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 實驗結(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)行測量,其測量值與所加砝碼數(shù)值的對應(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,符合測量系統(tǒng)的要求。同時可計算得負(fù)載與電壓輸出比值為 18.71 N/V。

3.2 動態(tài)實驗測試

為了驗證所設(shè)計的感知系統(tǒng)的有效性,實驗以一個體重 65 kg,足部正常的人為測量對象,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基本相位的組合：擺動相位和支撐相位。擺動相位應(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]。從實驗結(jié)果,可以看到當(dāng)采集點(diǎn) 6有壓力產(chǎn)生時,則是支撐相位開始,采集點(diǎn) 1壓力消失時為擺動相位的開始,兩者交替出現(xiàn),所占的時間比符合人體運(yùn)動力學(xué)。同時,還能從圖中看到在支撐相位時,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)動規(guī)律,能夠為后續(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

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

4 結(jié)論

本文針對一種新型助力機(jī)器人,設(shè)計了一套柔性雙足壓力信息檢測裝置。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處理單元兩部分。對該系統(tǒng)進(jìn)行初步實驗結(jié)果表明,本文的設(shè)計理論和設(shè)計過程是正確的。所設(shè)計的系統(tǒng)性能穩(wěn)定,響應(yīng)迅速,測得的數(shù)據(jù)特征明顯,重復(fù)性好,能夠為助力機(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)計的系統(tǒng)已申請國家發(fā)明專利。

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