一种可穿戴式气动下肢康复机器人复合感知系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种可穿戴式气动下肢康复机器人复合感知系统引入了多种传感器和两种仲裁装置，相对于其他下肢康复训练设备，本实用新型更便宜，提高了系统稳定性和柔顺性，大大减轻了对病人的二次伤害，并在主动训练时能更好的跟随人体运动。
【专利说明】一种可穿戴式气动下肢康复机器人复合感知系统
【技术领域】
[0001]本实用新型属于下肢康复设备【技术领域】，更为具体地讲，涉及一种可穿戴式气动下肢康复机器人复合感知系统。
【背景技术】
[0002]随着社会的发展，偏瘫患者的生活渐渐地得到了社会的普遍关注，他们对康复训练设备的需求也越发迫切；下肢康复训练机械作为康复治疗的一种机械设备，正是在这样的背景下得到了迅速发展。对可穿戴型步行助力机器人来说，因外骨髂的运动以人的意图为导向，需实时、准确的检测人体运动参数，而人体运动参数具有时变性和复杂性的特点，这对机器人的感知系统提出了更高的要求。康复机器人设备中最重要的一环就是感知系统的设计。病人的实时步态需要通过感知系统来获得，感知系统采集的数据也是控制信号的根据。
[0003]目前市场上的同类产品的感知系统大多是基于采集角度加速度信息或者采集肌电信号；以上两者中，虽然角度传感器检测人体运动位置与加速度传感器检测人体运动趋势，而且方法简单，但是角度信息和加速度信息都滞后于力信息，这样可能使控制滞后，穿戴机器人的柔顺性降低。而且其角度传感器安装有一定难度，加速度传感器对人体运动反映过于敏感，可能会检测一些震动信息，从而引入误判。由于肌电传感器是根据肌肉活动时皮肤表面传送的微弱电流信号或肌肉的软硬程度来推断人的行为意识，导致所采用的大部分传感器要与人体肌肤直接接触并粘贴在肌肤上，需要特别的固定装置，这样直接导致穿戴上的不方便；人体分泌的汗液、传感器安装的好坏等将影响所获取信息的稳定与准确性，而且信息量大而复杂，易受干扰，从而使控制易于滞后。另外肌电装置价格昂贵，不适合广泛的推向普通市场。以上两者均有较大的性能提升空间。
实用新型内容
[0004]本实用新型的目的在于克服现有不足，提供一种可穿戴式气动下肢康复机器人复合感知系统，以解决现有下肢康复设备感知系统控制信息滞后，步态误判率高和价格昂贵的问题，进一步提高康复设备的柔顺性和准确性。
[0005]为实现上述目的，本实用新型可穿戴式气动下肢康复机器人复合感知系统，其特征在于，包括:
[0006]背包(I)、髋关节处编码器(2)、大腿处二维力传感器(3)、大腿处加速度传感器
(4)、膝关节处编码器(5)、小腿处二维力传感器(6)、小腿处加速度传感器(7)、六维力/力矩传感器(8)、脚底压力传感器(9)；
[0007]所述背包包含两部分，一是下位机，所述下位机是指安放在背包中的单片机和相应的电路结构，该结构主要用以进行反馈和步态数据的采集，处理，并通过CAN总线传递给上位机。二是上位机，所述上位机是指安放在背包中的ARM板和相应电路结构，该结构主要用来接收下位机处理好的数据，通过一定的控制策略对执行器件输出执行命令。上位机中设置两种软件仲裁机构，仲裁机构一用来接收上述传感器的中断申请，并接收先申请中断的传感器数据，自动放弃后到达的数据。这样就成功采集到了最实时的反馈信息。仲裁机构二是用来接收上述两种传感器检测的步态信息，并和通过利用图像捕捉和测力台获得的标准步态信息进行拟合，自动选择更为接近的一组步态信息作为当前的步态值。
[0008]所述的安装在膝关节、髋关节处的编码器(2)、(5)为绝对值编码器即角度传感器，绝对值编码器用来测量膝关节和髋关节的实时角度；
[0009]所述大腿处加速度传感器(4)、小腿处加速度传感器(7)用于测量安装在外骨骼大腿、小腿的加速度值，并提供给上位机的控制系统，作为控制反馈；
[0010]所述大腿处二维力传感器(3)、小腿处二维力传感器(6)是指安装在机器人大腿和小腿机械结构上的用以测量人体和机械装置间相互作用力的二维压力传感器，用于获得的压力信息，并提供给上位机的控制系统，作为控制反馈；
[0011]所述脚底压力传感器(9)为安装在脚底的一维力传感器，用以测量地面对人脚底的反力，脚底信息提供给上位机，用来进行步态周期的划分；
[0012]所述六维力/力矩传感器(8)为六维力传感器、姿态传感器和柔性力传感器阵列，指安装在机器人脚部的实现对姿态信息的实时高速采集与处理的三种传感器。
[0013]本实用新型的目的是这样实现的:
[0014]本实用新型可穿戴式气动下肢康复机器人复合感知系统引入了多种传感器和两种仲裁装置，相对于其他下肢康复训练设备，本实用新型更便宜，提高了系统稳定性和柔顺性，大大减轻了对病人的二次伤害，并在主动训练时能更好的跟随人体运动。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本实用新型可穿戴式气动下肢康复机器人复合感知系统一种【具体实施方式】结构图；
[0016]图2是图1所示脚底压力传感器与六维力/力矩传感器的安装位置图；
[0017]图3是图1所示可穿戴式气动下肢康复机器人复合感知系统的工作原理图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图对本实用新型的【具体实施方式】进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本实用新型。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本实用新型的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
[0019]图1是本实用新型可穿戴式气动下肢康复机器人复合感知系统一种【具体实施方式】结构图。
[0020]在本实施例中，如图1所示，本实用新型可穿戴式气动下肢康复机器人复合感知系统包括:背包1、髋关节处编码器2、大腿处二维力传感器3、大腿处加速度传感器4、膝关节处编码器5、小腿处二维力传感器6、小腿处加速度传感器7、六维力/力矩传感器8、脚底压力传感器9分别安装于相应位置处，采集相应的传感器信息送到上位机进行感知。
[0021]图2是图1所示的图二为脚底压力传感器与六维力/力矩传感器的安装位置图。
[0022]六维力/力矩传感器8输出的模拟信号经过电压跟随其后接入下位机进行AD转换，下位机将得到的数据经CAN总线与上位机进行通信。姿态传感器是送入下位机经AD转换后与上位机进行通信。柔性力传感器经应变电桥调零电路放大电路滤波电路后到达下位机进行AD变换数字滤波后经CAN总线与上位机进行通信。脚底压力信号RC滤波电路后送入下位机进行AD转换，通过CAN总线与上位机进行通信。编码器获得的模拟量直接送入下位机进行AD转换。经CAN总线与上位机进行通信。
[0023]图3是图1所示可穿戴式气动下肢康复机器人复合感知系统的工作原理图。
[0024]在本实施例中，如图3所示，编码器采集髋关节、膝关节的角度信息，二维力传感器采集人体与骨架的接触力信息，加速度传感器采集大腿、小腿的加速度信息，压力传感器采集交底压力信息，六维力/力矩传感器采集脚部姿态信息，然后通过Can总线发送给下位机中的采集板块，再发送到上位机的控制板卡，从而实现对人体的感知。
[0025]尽管上面对本实用新型说明性的【具体实施方式】进行了描述，以便于本【技术领域】的技术人员理解本实用新型，但应该清楚，本实用新型不限于【具体实施方式】的范围，对本【技术领域】的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本实用新型的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本实用新型构思的发明创造均在保护之列。
【权利要求】
1.一种可穿戴式气动下肢康复机器人复合感知系统，其特征在于，包括: 背包(I)、髋关节处编码器(2)、大腿处二维力传感器(3)、大腿处加速度传感器(4)、膝关节处编码器(5)、小腿处二维力传感器(6)、小腿处加速度传感器(7)、六维力/力矩传感器(8)、脚底压力传感器(9); 所述背包包含两部分，一是下位机，所述下位机是指安放在背包中的单片机和相应的电路结构，该结构主要用以进行反馈和步态数据的采集，处理，并通过CAN总线传递给上位机；二是上位机，所述上位机是指安放在背包中的ARM板和相应电路结构，该结构主要用来接收下位机处理好的数据，通过一定的控制策略对执行器件输出执行命令； 所述的安装在膝关节处的编码器(5)、髋关节处的编码器(2)为绝对值编码器即角度传感器，绝对值编码器用来测量膝关节和髋关节的实时角度； 所述大腿处加速度传感器(4)、小腿处加速度传感器(7)用于测量安装在外骨骼大腿、小腿的加速度值，并提供给上位机的控制系统，作为控制反馈； 所述大腿处二维力传感器(3)、小腿处二维力传感器(6)是指安装在机器人大腿和小腿机械结构上的用以测量人体和机械装置间相互作用力的二维压力传感器，用于获得的压力信息，并提供给上位机的控制系统，作为控制反馈； 所述脚底压力传感器(9)为安装在脚底的一维力传感器，用以测量地面对人脚底的反力，脚底信息提供给上位机，用来进行步态周期的划分； 所述六维力/力矩传感器(8)为六维力传感器、姿态传感器和柔性力传感器阵列，指安装在机器人脚部的实现对姿态信息的实时高速采集与处理的三种传感器。
【文档编号】A63B23/04GK203417440SQ201320293823
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年5月27日 优先权日:2013年5月27日
【发明者】葛树志, 贺威, 王茂永, 唐皓月 申请人:电子科技大学