一种运动控制系统及机械外骨骼的制作方法

1.本公开涉及可穿戴式外骨骼技术领域，特别是涉及一种运动控制系统及机械外骨骼。


背景技术：

2.近年来，可穿戴式机械外骨骼设备，越来越受到国内外众多学者和科研人员的重视，成为新的研究热点，并开始逐步运用到军工、医疗、工业及民用领域。
3.在可穿戴式外骨骼控制中，如何实现人机协调运动控制是非常重要的。为了实现这个目标，基于多传感器的人体运动意图识别的准确性和可靠性就变得非常重要。此处人体运动意图包括人体运动模式的识别和运动相位的判别预测。
4.目前大多数外骨骼基于多元传感器信息进行人体运动意图识别，如通过位于后背、大小腿处的惯性测量单元采集多维运动物理量，通过关节处的角度传感器采集关节角度信息，通过肌电表皮单元采集生物电信息等。传感器之间距离较远，导致传感器之间走线较为复杂，成本较高。


技术实现要素：

5.本公开实施例旨在提供一种运动控制系统及机械外骨骼，以解决现有技术中由于传感器之间距离较远所导致传感器位置的布局较为复杂且传感器之间的走线较为复杂的技术问题。
6.本公开实施例解决其技术问题采用以下技术方案：提供一种运动控制系统，用于机械外骨骼，所述运动控制系统包括通讯模组及连接所述通讯模组的主控制器、电源模组、关节驱动单元及信号采集鞋；其中，所述信号采集鞋包括鞋本体、压力传感器及信号采集板，所述压力传感器嵌入所述鞋本体内，所述信号采集本设于所述鞋本体且连接所述压力传感器，所述信号采集板集成有用于检测物理运动的芯片，所述信号采集板连接所述通讯模组。
7.在一些实施例中，所述电源模组包括电源单元，所述电源单元通过电源线为所述主控制器、所述关节驱动单元及所述信号采集鞋提供电能；所述通讯模组包括有线通讯单元，所述有线通讯单元与所述电源线集成于一根屏蔽线内。
8.在一些实施例中，所述通讯模组包括无线通讯单元；所述主控制器与所述信号采集板通过所述无线通讯单元通讯。
9.在一些实施例中，所述鞋本体包括第一鞋底层、第二鞋底层及传感器支架，所述传感器支架设于所述第一鞋底层和所述第二鞋底层之间；所述压力传感器嵌入所述传感器支架内。
10.在一些实施例中，所述压力传感器包括第一压力传感器和第二压力传感器；所述第一压力传感器靠近所述第一鞋底层设置，所述第二压力传感器靠近所述第二鞋底层设置。
11.在一些实施例中，所述第一压力传感器和/或所述第二压力传感器包括前足位传感器、中足位传感器及后足位传感器；所述前足位传感器设于所述鞋本体的前足位，所述中足位传感器设于所述鞋本体的中足位，所述后足位传感器设于所述鞋本体的后足位。
12.在一些实施例中，所述鞋本体具有中线，所述中线穿过所述鞋本体的足尖与足后跟；所述前足位传感器和所述中足位传感器设于所述中线的不同侧，所述后足位传感器设于所述中线上。
13.在一些实施例中，所述用于检测物理运动的芯片包括惯性测量单元。
14.在一些实施例中，所述运动控制系统还包括人机交互终端；所述人机交互终端连接所述主控制器。
15.本公开实施例解决其技术问题采用以下技术方案：提供一种机械外骨骼，包括如上所述的运动控制系统。
16.与现有技术相比较，本公开实施例提供一种运动控制系统及机械外骨骼，其中信号采集鞋包括鞋本体、信号采集板及压力传感器，传感器设于鞋本体内，信号采集板设于鞋本体，压力传感器与信号采集板距离较近，压力传感器与信号采集板的间距较短，能够避免布线复杂、成本高的问题。另外，信号采集板集成有用于检测物理运动的芯片，信号采集板与芯片之间无需布线，也能够避免布线复杂、成本高的问题。
附图说明
17.一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
18.图1是本公开其中一实施例提供的一种运动控制系统的结构示意图；
19.图2是图1所示的运动控制系统的信号采集鞋的结构示意图；
20.图3是图2所示的信号采集鞋在另一个角度下的结构示意图；
21.图4是图2所示的信号采集鞋的内部结构示意图；
22.图5是图2所示的信号采集鞋的压力传感器分布的示意图；
23.图6是本公开另一实施例提供的一种机械外骨骼的结构示意图，该机械外骨骼包括图1所示的运动控制系统。
具体实施方式
24.为了便于理解本公开，下面结合附图和具体实施例，对本公开进行更详细的说明。需要说明的是，当元件被表述“连接”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“上”、“下”、“左”、“右”、“上端”、“下端”、“顶部”以及“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。此外，术语“第一”、“第二”、等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
25.除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本公开的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本公开的说明书中所使用的术语只是为了描述具体
的实施例的目的，不是用于限制本公开。
26.请参阅图1，本公开其中一实施例提供一种运动控制系统100，用于机械外骨骼，运动控制系统100包括主控制器10、关节驱动单元20、电源模组30、人机交互终端40、信号采集鞋50及通信模组60。主控制器10通过通信模组60连接关节驱动单元20、电源模组30及信号采集鞋50，人机交互终端40连接主控制器10。
27.主控制器10基于实时采集的信号进行算法执行后输出运动控制指令。该算法包括人体运动意图的识别、软硬件系统管理、异常监测与处理、通讯系统管理等。其中，意图识别算法之一是基于信号采集鞋50实时采集的物理信号进行人体步态模式及相位识别。
28.其中，上述的人体步态模式可以包括坐下、站立、平地行走、慢跑、快跑、上下斜坡、上下楼梯等日常生活涉及到的运动；上述的人体步态相位可以包括每个运动模式的细分阶段，例如平地行走可以细分为单腿支撑相、双腿支撑相等。
29.关节驱动单元20用于在主控制器10的控制下完成运动模式的切换和伺服控制。该运动模式可以包括位置控制、速度控制及转矩控制。关节驱动单元20可以是集成电机伺服系统、编码器、驱动器及电机的关节模组，也可以是其他的动力执行单元，例如气压或者液压传动系统。
30.电源模组30可以包括电源单元和电源管理单元。电源单元具体可以采用24v或者36v供电电池包进行供电，电源单元可以通过电源线连接主控制器10、关节驱动单元20、信号采集鞋50，用于为主控制器10、关节驱动单元20及信号采集鞋50提供电能。电源单元输出的电源可以通过电压转换电路转换，以向信号采集鞋输出+3.3v或者5v电压。
31.在电源管理单元中，集成有微处理器、稳压电路、电压转换等电路结构。电源管理单元可以通过通讯接口将电源状态信息由通讯模组上传至主控制器。该电源状态信息可以包括电源当前的电压、电流、温度等。通过电源状态信息可以实现提示电量状态、低压保护等功能。
32.人机交互终端40用于人机界面ui显示，显示的内容可以包括实时数据监测、操作界面展示、状态信息展示等。状态信息可以包括前文所提到的电量状态。人机交互终端40与主控制器10之间的通讯可以通过有线以太网实现。
33.请参阅图2至图4，信号采集鞋50包括鞋本体52、压力传感器54及信号采集板56。信号采集板56上集成有用于检测物理运动的芯片。通过在信号采集鞋50中配置压力传感器54和用于检测物理运动的芯片，使得信号采集鞋50能够同时采集人体足底的压力分布信息和人体足部的运动加速度信息。信号采集板56所采集的信息可以通过通讯模组60上传至主控制器10。
34.用于检测物理运动的芯片可以包括惯性测量单元。信号采集板56搭载惯性测量单元芯片，用于检测人体足部的运动加速度信息。信号采集鞋可以设置于鞋本体52的一侧。
35.压力传感器54嵌入鞋本体52内，压力传感器54可以具有多个，各压力传感器54在受到压力后能够输出微弱mv级别差分电信号，通过差分放大电路放大到模拟数字采样级别后，经过微控制单元内部自带的12位模拟数字转换电路进行采样和信号转换。
36.鞋本体52包括第一鞋底层520a、第二鞋底层520b及传感器支架522。传感器支架522设于第一鞋底层520a与第二鞋底层520b之间。第一鞋底层520a远离传感器支架522的一侧用于接触人体足底，第二鞋底层520b远离传感器支架522的另一侧用于接触地面。
37.压力传感器54嵌入传感器支架522内。
38.传感器支架522可以为柔性支架。
39.与鞋底采用刚性结构的信号采集鞋相比较，由于传感器支架522采用柔性支架，柔性支架的柔软度较好，舒适感较好。并且，柔性支架可以为传统鞋底中的柔性结构，能够避免因需要嵌入压力传感器54而特殊化定制加工所导致成本较高的问题。在实际应用时，为了保证制造成本和穿戴舒适性，保证鞋码、鞋底厚度及鞋面等不变，可以通过一定的工艺嵌入压力传感器54。
40.压力传感器54可以包括第一压力传感器54a和第二压力传感器54b。第一压力传感器54a和第二压力传感器54b分别嵌入传感器支架522靠近第一鞋底层520a的一面与靠近第二鞋底层520b的另一面。第一压力传感器54a抵靠第一鞋底层520a，第二压力传感器54b抵靠第二鞋底层522b。
41.第一压力传感器54a用于采集人体足底施加于信号采集鞋50的压力，第二压力传感器54b用于采集信号采集鞋50施加于地面的压力。
42.请参阅图5，第一压力传感器54a和第二压力传感器54b可以各包括前足位传感器540、中足位传感器542及后足位传感器544。前足位传感器540设于鞋本体52的前足位520，中足位传感器542设于鞋本体52的中足位522，后足位传感器544设于鞋本体52的后足位524。由于人体足部运动时主要集中在脚底的前足位、中足位及后足位，通过把前足位传感器540、中足位传感器542及后足位传感器544分别设于鞋本体52的前足位520、中足位522及后足位524，能够采集到人体脚底较为全面的压力信息，利于更为准确地判断人体与信号采集鞋100的接触关系。
43.鞋本体52具有中线o，中线o位足尖与足后跟的连线。前足位传感器540和中足位传感器542设于中线o的不同侧，后足位传感器546设于中线o上。压力传感器54分布较为均匀，仅通过三个压力传感器54即可采集人体的前足位、中足位及后足位的压力信息。
44.可以理解的是，根据实际需要，第一压力传感器54a和第二压力传感器54b也可以各包括超过三个的传感器。例如，前足位传感器540具有两个，两个前足位传感器540设于中线o的两侧，中足位传感器542具有两个，两个中足位传感器542设于中线o的两侧。
45.通讯模组60可以包括can总线、ethercat总线、485总线等有线通讯单元。主控制器10、关节驱动单元20、电源模组30、信号采集鞋50之间可以通过有线通讯单元进行通讯。
46.有线通讯单元与电源线可以集成在一根屏蔽线内，能够有效减少布线复杂性，能够简化系统走线。
47.可以理解的是，根据实际需要，通讯模组60也可以包括wifi、蓝牙、射频等无线通讯单元。主控制器10与信号采集鞋50的信号采集板56之间可以过无线通讯单元进行通讯，人机交互终端40与主控制器10之间也可以通过无线通讯单元进行通讯。
48.主控制器10中集成有步态识别算法，可以基于实时获得的从信号采集鞋处收集的数据，完成步态模式和相位的识别，最终完成助力控制指令的输出。
49.具体地，主控制器10根据上层压力传感器54所采集到的压力信息，可以判断人体与信号采集鞋50之间的接触关系，根据下层压力传感器54所采集到的压力信息，可以判断信号采集鞋50与地面之间的接触关系。并且，结合第一压力传感器54a和第二压力传感器54b所采集的压力值与预先设定的压力阈值进行比较，可以可靠地识别出多种人体与信号
采集鞋的相互状态。判断过程大致如下：
50.1、若第一压力传感器采集到压力信号，而第二压力传感器无信号输出，则可以判断人体已经穿戴上信号采集鞋，但并未站立，信号采集鞋的第二鞋底层与地面并无接触。具体地，可以将所有第一压力传感器所采集的压力值求和记为s1，将所有第二压力传感器所采集的压力至求和记为s2。当s1大于预先设定的压力阈值t1时表示人体已经穿戴信号采集鞋，当s1小于预先设定的压力阈值t1时表示人体未穿戴信号采集鞋。当s2大于预先设定的压力阈值t2时表示信号采集鞋的第二鞋底层与地面接触，当s2小于预先设定的压力阈值t2时表示信号采集鞋的第二鞋底层未与地面接触。
51.2、若第一压力传感器和第二压力传感器皆采集到压力信号，则可以判断人体已经穿戴上信号采集鞋，且信号采集鞋的第二鞋底层与地面接触。由于人体处于不同状态时施加于压力传感器的压力大小也不同，基于此，将压力传感器所采集的信号与不同状态下预先设定的阈值进行比较，即可进一步判断出人体的多种状态，例如，直立、前倾、后倾、双脚支撑及单脚支撑等等。
52.3、若各个压力传感器所采集到的信号呈现一个周期性变化的过程，则可以判断出人体穿戴信号采集鞋且处于步行或者跑步等呈周期性变化的状态，并且可以通过压力分布的规律判断人体处于的运动相位，进一步还可以预测人体可能的运动趋势。
53.请参阅图6，本公开另一实施例提供一种机械外骨骼200，包括背架组件202、腰背组件204、下肢组件206及前述各实施例所述的运动控制系统100。背架组件202用于固定于人体的肩背部，腰背组件204连接背架组件202，用于固定于人体的腰背部，下肢组件206连接腰背组件204，用于固定于人体的大腿及小腿。信号采集鞋50连接下肢组件206，用于供人体的足部穿戴。关节驱动单元20设于下肢组件206的各关节处，用于控制下肢组件206的关节活动。
54.与现有技术相比较，本公开实施例提供一种运动控制系统及机械外骨骼，其中信号采集鞋包括鞋本体、信号采集板及压力传感器，传感器设于鞋本体内，信号采集板设于鞋本体，压力传感器与信号采集板距离较近，压力传感器与信号采集板的间距较短，能够避免布线复杂、成本高的问题。另外，信号采集板集成有用于检测物理运动的芯片，信号采集板与芯片之间无需布线，也能够避免布线复杂、成本高的问题。
55.另外，通过将信号采集板设于鞋本体的一侧，能够避免信号采集板在设于鞋本体内时因鞋本体弯折导致受损的问题。
56.另外，相比较于单层的压力传感器，通过设置双层的压力传感器，上层的压力传感器能够采集到人体的脚底施加于信号采集鞋的压力信息，下层的压力传感器能够采集到信号采集鞋施加于地面的压力信息，采集到的压力信息较为全面，利于后期分析人体的运动状态，可以实现准确的助力控制策略的执行，提高了人体下肢运动模式切换时的平顺性和稳定性，从而提高了穿戴者的安全指数和用户体验。
57.另外，通过将电源线和有线通讯单元集成在一根屏蔽线内，能够有效减少布线复杂性，能够简化系统走线。
58.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本公开的技术方案，而非对其限制；在本公开的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本公开的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没
有在细节中提供；尽管参阅前述实施例对本公开进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本公开各实施例技术方案的范围。