一种基于多传感器的助行机器人人机接口及其避障控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于人机交互、康复辅具领域，更具体地，涉及一种基于多传感器的助行机 器人人机接口及其避障控制方法。
【背景技术】
[0002] 我国作为一个人口大国，约有1. 5亿老年人，残疾人8296万，涉及2. 6亿家庭人 口。根据世界卫生组织提出的60岁以上的人群占社会总人数10%以上，或65岁以上的人 群占社会总人数的7%以上时为老年化国家，据2000年统计，我国60岁以上的老年人口系 数10. 18%，我国己进入老年化社会，到2020年我国老年人将高达15%以上，老年人的生活 健康问题，将成为社会问题。随着我国进入老龄化社会，行走功能障碍的老年人及各种老年 病患者逐年增加，严重地影响了他们的生活质量，给家庭和社会带来沉重的负担。
[0003] 行走不便几乎是困扰老年人和下肢功能障碍者正常生活的最严重问题，为支援和 改善各种下肢功能障碍人群的步行能力，助行用下肢康复机器人已成为国内外机器人与康 复医学领域的研究热点。下肢康复机器人有助行机器人和智能拐杖等装置，基本原理是利 用传感装置提取患者上肢的力信号，根据经过处理的力信号判断患者的意图，从而帮助患 者完成相应方向的移动。就目前的传感装置来说，一种方案是利用价格高昂的六维力传感 器，无疑提高了助行机器人的成本；另一种是通过多个一维力传感器组成传感器阵列，通过 相应的数据和设计的公式进行计算从而判断人的运动意图。这种方案能极大的降低人机接 口的成本，但是它的研究尚处于初级阶段，已有的设计存在各种不同程度的缺陷，不能有效 的采集相关方向的力的数据。
[0004] 与此同时，助行机器人系统的使用者多为老年人，他们普遍视力较差，并且比常人 更有可能错误地操作助行机器人从而带来安全隐患。但是目前的助行机器人系统大多缺少 安全机制。
[0005] 因此目前亟需开发出一套能有效检测出患者作用力，造价低廉，同时能够矫正操 作者可能产生的错误意图的人机接口以实现助行用下肢康复机器人与患者运动意图之间 的协同控制，同时强化的环境适应能力，以取得更好的助行效果，以期待逐步实现助行机器 人产品化和产业化。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种控制有效、方便可靠且成本低 廉的助行机器人人机接口及其避障控制方法。
[0007] 本发明提供了一种基于多传感器的助行机器人人机接口，包括压力采集模块、障 碍物探测模块和控制器；所述压力采集模块用于检测操作者手部的作用力；所述障碍物探 测模块用于探测周边障碍物；所述控制器与所述压力采集模块和所述障碍物探测模块连 接，用于根据所述压力采集模块采集的数据以及所述障碍物探测模块探测的数据计算助行 机器人的速度，并根据所述助行机器人的速度控制所述助行机器人实现助行和避障功能。
[0008] 更进一步地，所述压力采集模块包括力传感装置、信号调理模块和数据采集模块； 所述力传感装置为二层套筒结构，且外层是内部被镂空成长方体的圆柱体，内层是方形柱 体，圆柱体与方形柱体之间有缝隙，在内层方形柱体的四个侧面分别设置有1个FSR传感器 填充所述缝隙；用于采集操作者左右手作用力纵向和横向的分量；所述信号调理模块用于 对所述力传感装置采集的作用力进行调理后输出；所述数据采集模块用于对经过调理后的 数据进行AD转换后获得电压值。
[0009] 更进一步地，所述障碍物探测模块包括激光传感器以及用于连接所述激光传感器 与所述控制器的USB高速数据线；所述激光传感器用于采集周边环境的障碍物信息，并通 过所述USB数据线将采集的障碍物信息发送到控制器。
[0010] 更进一步地，所述控制器用于根据人工势场法将障碍物探测模块采集的障碍物信 息转换为斥力；计算斥力与操作者作用力的合力，并将合力转换为用于控制助行机器人实 现助行的速度。
[0011] 本发明还提供了一种基于多传感器的助行机器人人机接口的避障控制方法，包括 下述步骤：
[0012] (1)采集操作者手部的作用力信息，并检测障碍物与助行机器人之间的距离信 息；
[0013] (2)根据所述作用力信息获得操作者在各个方向上的作用力；根据所述距离信息 获得障碍物产生的斥力；
[0014] (3)根据所述斥力和操作者在各个方向上的作用力获得操作者的意图力，并根据 开环导纳控制算法将操作者的意图力转换为速度，从而控制助行机器人安全避障。
[0015] 更进一步地，根据人工势场法计算的障碍物产生的斥力为F"= KX (r-R。）n，式中 式中K、R。、η为常数，其中η -般取正整数；r为障碍物与助行机器人的距离，斥力的 大小。
[0016] 更进一步地，所述助行机器人的运动遵循以下原则：
[0017] (1)如果X轴方向合力不为0且左右手力方向一致，那么机器人沿X轴的合力方向 运动；
[0018] (2)如果Y轴方向合力不为0,那么机器人沿Y轴的合力方向运动；
[0019] (3)如果X轴的左右手力方向相反，那么根据力臂计算力矩，机器人沿力矩方向作 旋转运动；
[0020] 其中，坐标原点为助行机器人中心点，X轴方向是助行机器人的相对正前方；Y轴 方向是指助行机器人的相对左方。
[0021] 本发明还提供了一种基于多传感器的助行机器人人机接口的避障控制方法，包括 下述步骤：
[0022] 当在紧急避障区内存在障碍物时，判断操作者的意图力F1是否有X轴负方向的分 量，若是，则助行机器人遵从操作者的意图后退避障，若否，则助行机器人将采取侧向平移 的方式来规避紧急避障区的障碍物。
[0023] 更进一步地，所述紧急避障区为矩形，矩形的长度为Length，宽度为Width，当激 光传感器与激光传感器的一个探测点之间的距离L满足下式时，
则认 为障碍物在紧急避障区内，其中α为障碍物的某点与所述X轴的夹角。
[0024] 更进一步地，当障碍物在紧急避障区内时，通过统计X轴左侧和右侧满足矩形条 件的点的个数，选择点数少的一侧进行平移。在平移过程中实时检测平移方向上是否有足 够的避障空间，根据检测情况可改变平移方向或停止。
[0025] 本发明的优点在于，首先在操作者作用力检测方面利用廉价的FSR传感器和设计 的力传感装置代替了传统的六轴力传感器，降低成本的同时又能有效检测操作者的作用 力；利用激光传感器对周边障碍物进行扫描，使用扫描得到的障碍物信息对操作者进行引 导和矫正，保证了操作者和助行机器人的安全；利用多线程实现的控制方法同时满足了助 行机器人避障和助行的需求，并且保证了实时性；相对简单的结构使得该助行机器人人机 接口可以适用于各种机械结构的助行机器人，易于推广应用，满足用户不同的需求。
【附图说明】
[0026] 图1是本发明提供的多传感器助行机器人人机接口系统框图。
[0027] 图2是本发明实施例的一个应用实例示意图。
[0028] 图3是本发明所使用的FSR(Force Sensing Registers,力传感记录单元）传感器 的机械装置原理图。
[0029] 图4是本发明所使用的FSR传感器的信号调理电路的原理图，其中（a)是放大电 路的具体电路图，（b)是参考电压产生电路的具体电路图。
[0030] 图5是本发明实施例应用于一个助行机器人实例的受力分析图。
[0031] 图6是本发明实施例所使用的激光传感器的工作原理图。
[0032] 图7是