一種可穿戴式氣動下肢康復(fù)機(jī)器人復(fù)合感知系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種可穿戴式氣動下肢康復(fù)機(jī)器人復(fù)合感知系統(tǒng)引入了多種傳感器和兩種仲裁裝置，相對于其他下肢康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備，本實(shí)用新型更便宜，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和柔順性，大大減輕了對病人的二次傷害，并在主動訓(xùn)練時能更好的跟隨人體運(yùn)動。
【專利說明】一種可穿戴式氣動下肢康復(fù)機(jī)器人復(fù)合感知系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于下肢康復(fù)設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】，更為具體地講，涉及一種可穿戴式氣動下肢康復(fù)機(jī)器人復(fù)合感知系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著社會的發(fā)展，偏癱患者的生活漸漸地得到了社會的普遍關(guān)注，他們對康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備的需求也越發(fā)迫切；下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)械作為康復(fù)治療的一種機(jī)械設(shè)備，正是在這樣的背景下得到了迅速發(fā)展。對可穿戴型步行助力機(jī)器人來說，因外骨髂的運(yùn)動以人的意圖為導(dǎo)向，需實(shí)時、準(zhǔn)確的檢測人體運(yùn)動參數(shù)，而人體運(yùn)動參數(shù)具有時變性和復(fù)雜性的特點(diǎn)，這對機(jī)器人的感知系統(tǒng)提出了更高的要求?？祻?fù)機(jī)器人設(shè)備中最重要的一環(huán)就是感知系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。病人的實(shí)時步態(tài)需要通過感知系統(tǒng)來獲得，感知系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)也是控制信號的根據(jù)。
[0003]目前市場上的同類產(chǎn)品的感知系統(tǒng)大多是基于采集角度加速度信息或者采集肌電信號；以上兩者中，雖然角度傳感器檢測人體運(yùn)動位置與加速度傳感器檢測人體運(yùn)動趨勢，而且方法簡單，但是角度信息和加速度信息都滯后于力信息，這樣可能使控制滯后，穿戴機(jī)器人的柔順性降低。而且其角度傳感器安裝有一定難度，加速度傳感器對人體運(yùn)動反映過于敏感，可能會檢測一些震動信息，從而引入誤判。由于肌電傳感器是根據(jù)肌肉活動時皮膚表面?zhèn)魉偷奈⑷蹼娏餍盘柣蚣∪獾能浻渤潭葋硗茢嗳说男袨橐庾R，導(dǎo)致所采用的大部分傳感器要與人體肌膚直接接觸并粘貼在肌膚上，需要特別的固定裝置，這樣直接導(dǎo)致穿戴上的不方便；人體分泌的汗液、傳感器安裝的好壞等將影響所獲取信息的穩(wěn)定與準(zhǔn)確性，而且信息量大而復(fù)雜，易受干擾，從而使控制易于滯后。另外肌電裝置價格昂貴，不適合廣泛的推向普通市場。以上兩者均有較大的性能提升空間。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有不足，提供一種可穿戴式氣動下肢康復(fù)機(jī)器人復(fù)合感知系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有下肢康復(fù)設(shè)備感知系統(tǒng)控制信息滯后，步態(tài)誤判率高和價格昂貴的問題，進(jìn)一步提高康復(fù)設(shè)備的柔順性和準(zhǔn)確性。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型可穿戴式氣動下肢康復(fù)機(jī)器人復(fù)合感知系統(tǒng)，其特征在于，包括:
[0006]背包(I)、髖關(guān)節(jié)處編碼器(2)、大腿處二維力傳感器(3)、大腿處加速度傳感器
(4)、膝關(guān)節(jié)處編碼器(5)、小腿處二維力傳感器(6)、小腿處加速度傳感器(7)、六維力/力矩傳感器(8)、腳底壓力傳感器(9)；
[0007]所述背包包含兩部分，一是下位機(jī)，所述下位機(jī)是指安放在背包中的單片機(jī)和相應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)主要用以進(jìn)行反饋和步態(tài)數(shù)據(jù)的采集，處理，并通過CAN總線傳遞給上位機(jī)。二是上位機(jī)，所述上位機(jī)是指安放在背包中的ARM板和相應(yīng)電路結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)主要用來接收下位機(jī)處理好的數(shù)據(jù)，通過一定的控制策略對執(zhí)行器件輸出執(zhí)行命令。上位機(jī)中設(shè)置兩種軟件仲裁機(jī)構(gòu)，仲裁機(jī)構(gòu)一用來接收上述傳感器的中斷申請，并接收先申請中斷的傳感器數(shù)據(jù)，自動放棄后到達(dá)的數(shù)據(jù)。這樣就成功采集到了最實(shí)時的反饋信息。仲裁機(jī)構(gòu)二是用來接收上述兩種傳感器檢測的步態(tài)信息，并和通過利用圖像捕捉和測力臺獲得的標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)信息進(jìn)行擬合，自動選擇更為接近的一組步態(tài)信息作為當(dāng)前的步態(tài)值。
[0008]所述的安裝在膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)處的編碼器(2)、(5)為絕對值編碼器即角度傳感器，絕對值編碼器用來測量膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的實(shí)時角度；
[0009]所述大腿處加速度傳感器(4)、小腿處加速度傳感器(7)用于測量安裝在外骨骼大腿、小腿的加速度值，并提供給上位機(jī)的控制系統(tǒng)，作為控制反饋；
[0010]所述大腿處二維力傳感器(3)、小腿處二維力傳感器(6)是指安裝在機(jī)器人大腿和小腿機(jī)械結(jié)構(gòu)上的用以測量人體和機(jī)械裝置間相互作用力的二維壓力傳感器，用于獲得的壓力信息，并提供給上位機(jī)的控制系統(tǒng)，作為控制反饋；
[0011]所述腳底壓力傳感器(9)為安裝在腳底的一維力傳感器，用以測量地面對人腳底的反力，腳底信息提供給上位機(jī)，用來進(jìn)行步態(tài)周期的劃分；
[0012]所述六維力/力矩傳感器(8)為六維力傳感器、姿態(tài)傳感器和柔性力傳感器陣列，指安裝在機(jī)器人腳部的實(shí)現(xiàn)對姿態(tài)信息的實(shí)時高速采集與處理的三種傳感器。
[0013]本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0014]本實(shí)用新型可穿戴式氣動下肢康復(fù)機(jī)器人復(fù)合感知系統(tǒng)引入了多種傳感器和兩種仲裁裝置，相對于其他下肢康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備，本實(shí)用新型更便宜，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和柔順性，大大減輕了對病人的二次傷害，并在主動訓(xùn)練時能更好的跟隨人體運(yùn)動。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是本實(shí)用新型可穿戴式氣動下肢康復(fù)機(jī)器人復(fù)合感知系統(tǒng)一種【具體實(shí)施方式】結(jié)構(gòu)圖；
[0016]圖2是圖1所示腳底壓力傳感器與六維力/力矩傳感器的安裝位置圖；
[0017]圖3是圖1所示可穿戴式氣動下肢康復(fù)機(jī)器人復(fù)合感知系統(tǒng)的工作原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行描述，以便本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本實(shí)用新型。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當(dāng)已知功能和設(shè)計(jì)的詳細(xì)描述也許會淡化本實(shí)用新型的主要內(nèi)容時，這些描述在這里將被忽略。
[0019]圖1是本實(shí)用新型可穿戴式氣動下肢康復(fù)機(jī)器人復(fù)合感知系統(tǒng)一種【具體實(shí)施方式】結(jié)構(gòu)圖。
[0020]在本實(shí)施例中，如圖1所示，本實(shí)用新型可穿戴式氣動下肢康復(fù)機(jī)器人復(fù)合感知系統(tǒng)包括:背包1、髖關(guān)節(jié)處編碼器2、大腿處二維力傳感器3、大腿處加速度傳感器4、膝關(guān)節(jié)處編碼器5、小腿處二維力傳感器6、小腿處加速度傳感器7、六維力/力矩傳感器8、腳底壓力傳感器9分別安裝于相應(yīng)位置處，采集相應(yīng)的傳感器信息送到上位機(jī)進(jìn)行感知。
[0021]圖2是圖1所示的圖二為腳底壓力傳感器與六維力/力矩傳感器的安裝位置圖。
[0022]六維力/力矩傳感器8輸出的模擬信號經(jīng)過電壓跟隨其后接入下位機(jī)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，下位機(jī)將得到的數(shù)據(jù)經(jīng)CAN總線與上位機(jī)進(jìn)行通信。姿態(tài)傳感器是送入下位機(jī)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后與上位機(jī)進(jìn)行通信。柔性力傳感器經(jīng)應(yīng)變電橋調(diào)零電路放大電路濾波電路后到達(dá)下位機(jī)進(jìn)行AD變換數(shù)字濾波后經(jīng)CAN總線與上位機(jī)進(jìn)行通信。腳底壓力信號RC濾波電路后送入下位機(jī)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，通過CAN總線與上位機(jī)進(jìn)行通信。編碼器獲得的模擬量直接送入下位機(jī)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。經(jīng)CAN總線與上位機(jī)進(jìn)行通信。
[0023]圖3是圖1所示可穿戴式氣動下肢康復(fù)機(jī)器人復(fù)合感知系統(tǒng)的工作原理圖。
[0024]在本實(shí)施例中，如圖3所示，編碼器采集髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)的角度信息，二維力傳感器采集人體與骨架的接觸力信息，加速度傳感器采集大腿、小腿的加速度信息，壓力傳感器采集交底壓力信息，六維力/力矩傳感器采集腳部姿態(tài)信息，然后通過Can總線發(fā)送給下位機(jī)中的采集板塊，再發(fā)送到上位機(jī)的控制板卡，從而實(shí)現(xiàn)對人體的感知。
[0025]盡管上面對本實(shí)用新型說明性的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行了描述，以便于本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員理解本實(shí)用新型，但應(yīng)該清楚，本實(shí)用新型不限于【具體實(shí)施方式】的范圍，對本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本實(shí)用新型的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見的，一切利用本實(shí)用新型構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。
【權(quán)利要求】
1.一種可穿戴式氣動下肢康復(fù)機(jī)器人復(fù)合感知系統(tǒng)，其特征在于，包括: 背包(I)、髖關(guān)節(jié)處編碼器(2)、大腿處二維力傳感器(3)、大腿處加速度傳感器(4)、膝關(guān)節(jié)處編碼器(5)、小腿處二維力傳感器(6)、小腿處加速度傳感器(7)、六維力/力矩傳感器(8)、腳底壓力傳感器(9); 所述背包包含兩部分，一是下位機(jī)，所述下位機(jī)是指安放在背包中的單片機(jī)和相應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)主要用以進(jìn)行反饋和步態(tài)數(shù)據(jù)的采集，處理，并通過CAN總線傳遞給上位機(jī)；二是上位機(jī)，所述上位機(jī)是指安放在背包中的ARM板和相應(yīng)電路結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)主要用來接收下位機(jī)處理好的數(shù)據(jù)，通過一定的控制策略對執(zhí)行器件輸出執(zhí)行命令； 所述的安裝在膝關(guān)節(jié)處的編碼器(5)、髖關(guān)節(jié)處的編碼器(2)為絕對值編碼器即角度傳感器，絕對值編碼器用來測量膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的實(shí)時角度； 所述大腿處加速度傳感器(4)、小腿處加速度傳感器(7)用于測量安裝在外骨骼大腿、小腿的加速度值，并提供給上位機(jī)的控制系統(tǒng)，作為控制反饋； 所述大腿處二維力傳感器(3)、小腿處二維力傳感器(6)是指安裝在機(jī)器人大腿和小腿機(jī)械結(jié)構(gòu)上的用以測量人體和機(jī)械裝置間相互作用力的二維壓力傳感器，用于獲得的壓力信息，并提供給上位機(jī)的控制系統(tǒng)，作為控制反饋； 所述腳底壓力傳感器(9)為安裝在腳底的一維力傳感器，用以測量地面對人腳底的反力，腳底信息提供給上位機(jī)，用來進(jìn)行步態(tài)周期的劃分； 所述六維力/力矩傳感器(8)為六維力傳感器、姿態(tài)傳感器和柔性力傳感器陣列，指安裝在機(jī)器人腳部的實(shí)現(xiàn)對姿態(tài)信息的實(shí)時高速采集與處理的三種傳感器。
【文檔編號】A63B23/04GK203417440SQ201320293823
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年5月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月27日
【發(fā)明者】葛樹志, 賀威, 王茂永, 唐皓月 申請人:電子科技大學(xué)