趙浩，莫新民，紀(jì)平鑫，周加永，呂啟元

（西北機(jī)電工程研究所，咸陽(yáng)712099）

引 言

在下肢助力外骨骼服系統(tǒng)中，傳感靴起到了十分重要的作用。當(dāng)穿戴上外骨骼服后，傳感靴與地面直接接觸，并通過(guò)其內(nèi)置的壓力傳感器檢測(cè)壓力值的變化。通過(guò)放大電路，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并反饋到控制系統(tǒng)中，這些信息對(duì)控制決策系統(tǒng)進(jìn)行步態(tài)判斷和穿戴者運(yùn)動(dòng)意圖的分析有重要作用。因此，傳感靴中壓力傳感器和放大電路的設(shè)計(jì)是非常重要的，直接影響到外骨骼服的性能和穩(wěn)定性[1-3]。

1 壓力傳感器的選擇

利用壓力傳感器進(jìn)行傳感靴足底壓力測(cè)量時(shí)，需要對(duì)足底多部分的壓力信息進(jìn)行測(cè)量。在進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程中，為了保證選用的壓力傳感器能夠較好地滿足測(cè)量范圍的要求，同時(shí)盡可能提高測(cè)量的精確度，壓力傳感器需要滿足以下幾個(gè)條件：

①壓力傳感器的安裝位置不能對(duì)穿戴者的運(yùn)動(dòng)造成干擾。下肢助力外骨骼服傳感靴的底板有一定厚度，如果選擇的壓力傳感器高于傳感靴的底板，就會(huì)給穿戴者造成不舒適感，影響穿戴者的正常行走。

②壓力傳感器的量程要合適。在正常人行走過(guò)程中，與足底壓力相關(guān)的主要有兩個(gè)參數(shù)：平均靜態(tài)足底壓力參數(shù)和平均動(dòng)態(tài)壓力參數(shù)。通過(guò)查閱相關(guān)的參考文獻(xiàn)得知，我國(guó)正常成年人的平均靜態(tài)足底壓力的最大值為（1.28±0.33）kg/cm2，平均動(dòng)態(tài)足底壓力的最大值為（2.96±0.66）kg/cm2。由于下肢助力外骨骼服穿戴者的個(gè)體差異較大，為了保證有較高的容錯(cuò)性，壓力傳感器的量程必須能夠達(dá)到這兩個(gè)參數(shù)的最大值[4]。

③壓力傳感器要有較好的時(shí)滯性和重復(fù)性。由于人體正常步行過(guò)程是一個(gè)周期重復(fù)性的過(guò)程，為了保證在這個(gè)過(guò)程中對(duì)壓力的重復(fù)測(cè)量，必須選擇一款重復(fù)性和時(shí)滯性都較好的傳感器。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有傳感器進(jìn)行調(diào)研，篩選了能夠同時(shí)滿足上述條件的傳感器，進(jìn)行了兩種實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。方案一選用德國(guó)ME公司的KM26壓力傳感器，方案二選用Tekscan公司的FlexiForce系列電阻式薄膜壓力傳感器。

ME公司的KM26傳感器是一種小尺寸的壓力傳感器，主要用于壓縮力的測(cè)量，可以選擇的量程范圍是100 N～10 k N。在傳感器的頂部有一個(gè)直徑為40 mm的圓形凸起用來(lái)感知壓力。安裝時(shí)需要將傳感器固定在一個(gè)平面上，并且將圓形凸起高出表面，防護(hù)等級(jí)為IP67。根據(jù)計(jì)算，在方案一中選用500 N量程的傳感器。

Tekscan公司的FlexiForce系列傳感器的厚度為0.2 mm，并且具有良好的卷曲性。提供了0～4.4 N、0～111 N、0～445 N三個(gè)量程范圍進(jìn)行選擇，可以根據(jù)測(cè)量范圍的大小選擇不同量程的傳感器。在方案二中，采用的傳感器型號(hào)為A201，量程范圍是0～445 N。

KM26和A201兩種傳感器的性能參數(shù)和特性對(duì)比如表1所列。

表1 KM26和A201傳感器特性對(duì)比

可以看出，KM26傳感器在性能上要優(yōu)于A201。但KM26的安裝較為復(fù)雜，需要將鞋底進(jìn)行處理；A201為薄膜傳感器，有很大的韌性，可以直接粘貼在鞋墊上。A201在售價(jià)上很有優(yōu)勢(shì)，僅為KM26的1/10，且A201的接線方式較為簡(jiǎn)單。綜合本設(shè)計(jì)的實(shí)際使用需求，A201的精度已經(jīng)可以滿足，因此將A201作為本設(shè)計(jì)優(yōu)先選擇的傳感器。

2 壓力傳感器的布局

人的足底大致可分為以下15個(gè)區(qū)域：足跟區(qū)（區(qū)域1～3）、足弓區(qū)（區(qū)域4～5）、跖骨區(qū)（區(qū)域6～10）、趾骨區(qū)（區(qū)域11～15），如圖1所示[5]。

查閱相關(guān)資料研究發(fā)現(xiàn)，正常人在行走過(guò)程中足底各部分壓力從小到大依次為：足弓區(qū)（區(qū)域4～5）、趾骨區(qū)1（區(qū)域11～14）、趾骨區(qū)2（區(qū)域15）、跖骨區(qū)1（區(qū)域6～9）、跖骨區(qū)2（區(qū)域10）、足跟區(qū)（區(qū)域1～3），并且在足弓區(qū)的壓力信號(hào)非常微弱，可以不進(jìn)行采集。

圖1 足底分布圖及傳感器安裝位置圖

綜上所述，在傳感器的安裝位置方面，如果整個(gè)足底布滿傳感器將使腳底壓力變得極為復(fù)雜，而且在足弓區(qū)沒(méi)辦法檢測(cè)到壓力值的變化，導(dǎo)致控制系統(tǒng)的算法分析、計(jì)算都會(huì)產(chǎn)生很多困難。為了能夠降低成本、精簡(jiǎn)控制算法，在方案一和方案二兩種傳感器的分布情況下，分別在足底安裝了5個(gè)壓力傳感器，分別是足跟區(qū)1個(gè)、跖骨區(qū)3個(gè)、趾骨區(qū)1個(gè)，如圖1所示。這樣的布局既能夠保證所采集的壓力信號(hào)可以真實(shí)反映實(shí)際的步態(tài)，又簡(jiǎn)化了下肢助力外骨骼的電氣硬件配置和控制算法，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行起到了十分重要的作用。

3 信號(hào)轉(zhuǎn)換放大電路的設(shè)計(jì)

在方案一中使用的是KM26壓力傳感器，生產(chǎn)廠家配有相應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換放大電路板，可以隨傳感器一同購(gòu)買。供電電壓為12 V或24 V，接線較為簡(jiǎn)單，但電路板的售價(jià)較為昂貴，成本較高。

在方案二中所使用的是A201薄膜壓力傳感器，其沒(méi)有配套的信號(hào)轉(zhuǎn)換放大電路板，需要自行設(shè)計(jì)。由于控制系統(tǒng)要采集的是0～10 V的電壓信號(hào)，因此需要將薄膜壓力傳感器的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。

A201薄膜壓力傳感器的技術(shù)資料中提供了相關(guān)的參考電路，所選用的運(yùn)算放大器是Microchip公司的MCP6001/2/4系列運(yùn)算放大器。這一系列器件具有1 MHz增益帶寬積和90°相位容限（典型值），供電電壓為1.8～5.5 V，提供單運(yùn)放、雙運(yùn)放和四運(yùn)放封裝。在本設(shè)計(jì)中，足底共安裝了5只薄膜壓力傳感器，因此需要同時(shí)采集5路的壓力信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。為了減小印制板的尺寸和減少芯片的使用數(shù)量，選用3個(gè)雙運(yùn)放輸出的SOIC封裝的MCP6002芯片作為運(yùn)算放大器[6]。

參考電路中的輸出電壓計(jì)算公式為：Vout＝-VT×（RF/RS）。其中，RS為薄膜壓力傳感器的電阻，RF為反饋電阻（最小為1 kΩ），VT為工作電壓，Vout為輸出電壓。在測(cè)量過(guò)程中，為了能夠得到更大的輸出量程，需要降低工作電壓并且減小反饋電阻的阻值。經(jīng)過(guò)計(jì)算，為了使得實(shí)驗(yàn)測(cè)得的輸出電壓能夠滿足實(shí)際的使用要求，在本設(shè)計(jì)中選用-5 V為工作電壓，反饋電阻為100 kΩ。放大電路的原理圖如圖2所示。

圖2 信號(hào)轉(zhuǎn)換放大電路原理圖

4 數(shù)據(jù)采集及通信接口設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用PIC18F2580單片機(jī)模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，等待定時(shí)中斷到來(lái)后，將數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上。具體軟件流程圖如圖3所示。在下肢助力外骨骼服控制系統(tǒng)中要求的感知信號(hào)傳輸周期為10 ms，在進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)5個(gè)壓力傳感器信號(hào)采用輪詢方式不間斷采樣，并將這些信號(hào)放入CAN總線的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，另外，設(shè)置10 ms的時(shí)鐘timer，當(dāng)時(shí)鐘中斷到來(lái)時(shí)，將單片機(jī)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上。

圖3 數(shù)據(jù)采集軟件流程圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)選取一名男性被測(cè)者，體重70公斤，右腳穿傳感靴，分別進(jìn)行平地行走和上下階梯實(shí)驗(yàn)。平底行走的步幅為40 cm，并劃定步幅指引線，保證所采集數(shù)據(jù)的一致性。階梯的高度為17 cm，寬度為40 cm，實(shí)驗(yàn)中采取上3級(jí)臺(tái)階之后下2級(jí)臺(tái)階為一個(gè)采樣周期。測(cè)試者分別穿戴方案一和方案二兩種傳感器設(shè)計(jì)方案的傳感靴進(jìn)行平地行走和上下階梯實(shí)驗(yàn)。在控制系統(tǒng)中，采用了VC＋＋軟件所編寫的程序進(jìn)行信號(hào)的采集和顯示，數(shù)據(jù)采樣周期為10 ms。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4和圖5所示，分別為采用方案一和方案二所選擇的傳感器進(jìn)行平地行走和上下階梯實(shí)驗(yàn)的采樣曲線[7]。

圖4 方案一進(jìn)行平地行走和上下階梯實(shí)驗(yàn)采樣曲線圖

圖5 方案二進(jìn)行平地行走和上下階梯實(shí)驗(yàn)采樣曲線圖

結(jié) 語(yǔ)

足底安裝的5只傳感器的采樣曲線分別用5種曲線樣式進(jìn)行表示。在進(jìn)行平地行走實(shí)驗(yàn)時(shí)，測(cè)試者共走了3步，從圖4（a）和圖5（a）中可以看出有3個(gè)曲線尖峰。在進(jìn)行上下樓梯實(shí)驗(yàn)時(shí)，測(cè)試者的前3步為上樓梯，后兩步為下樓梯，從圖4（b）和圖5（b）中可以看出有5個(gè)曲線尖峰。

還可以看出，在一個(gè)步態(tài)周期中腳后跟處傳感器的壓力值最大，趾骨區(qū)次之，跖骨處的壓力值最小，基本能夠區(qū)分人正常行走時(shí)的落地、支撐和離地三個(gè)階段。

同一名測(cè)試者分別穿戴方案一和方案二所安裝傳感器的傳感靴進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，能夠基本反映出人在行走時(shí)的步態(tài)情況，控制系統(tǒng)能夠以此為依據(jù)進(jìn)行算法的分析和設(shè)計(jì)。

從圖4和圖5中可以明顯看出，方案二的采樣曲線要明顯好于方案一。方案一中平地行走腳后跟曲線最大峰值為100，方案二中則為120；方案一中上下階梯實(shí)驗(yàn)?zāi)_后跟曲線最大峰值為100，方案二為160。

方案二中的曲線更平滑，每一個(gè)步態(tài)周期都能夠明顯區(qū)別出來(lái)，穩(wěn)定性和重復(fù)性更好，對(duì)于控制系統(tǒng)對(duì)下肢助力外骨骼服的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)判斷有很大的優(yōu)勢(shì)。因此，選擇FlexiForce A201傳感器的方案二在工作中的性能表現(xiàn)更好，更適合在下肢助力外骨骼服傳感靴中進(jìn)行應(yīng)用。

本文介紹了下肢助力外骨骼服傳感靴的設(shè)計(jì)，分別選取了采用不同傳感器的兩種方案進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。詳細(xì)介紹了傳感靴中傳感器的選擇、安裝位置、信號(hào)放大轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集及通信接口電路的設(shè)計(jì)，并選取了一名測(cè)試者進(jìn)行了平地行走和上下階梯實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，選取FlexiForce A201傳感器的方案二在實(shí)驗(yàn)中的性能參數(shù)可以更好地反映出下肢助力外骨骼服的步態(tài)，為控制系統(tǒng)對(duì)于外骨骼的驅(qū)動(dòng)算法和運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)研究提供了可靠的基礎(chǔ)。

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