[发明专利]一种用于外骨骼压力鞋的数据采集系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于外骨骼压力鞋的数据采集系统及方法。

背景技术

近年来，我国脊髓损伤患者和行动不便患者的数量正在增加，其中包括截瘫、偏瘫患者以及行走不便的老人等，这使得关爱、帮助残疾人越来越受到社会的关注，因而也成为一个重大的社会问题。外骨骼机器人是一种可穿戴的人机一体化智能系统，其将人类的“智力”与机电系统的“体力”完美结合，能够在康复训练和个人自主行走方面很好的满足以上患者的需求。外骨骼压力鞋是外骨骼与外界接触的窗口，通过压力鞋上的传感器不仅可以感知外骨骼自身的运动情况，如行走状态，重心位置等，还能感知外界情况，如所处的地形特征。本发明旨在发明一种用于外骨骼压力鞋的数据采集系统。

在本领域中，已经公开的技术专利公开号为CN 104856845 A的名为“一种适用于盲人的智能鞋”的专利，该系统在鞋底的某个部分铺设有多个压力传感器，用来感受压力信号，同时还包括存储芯片，用来存储事先在盲道上行走时传感器采集的信息特征，然后将现有压力传感器的信息特征与存储器里信息特征进行比对，从而确定盲人是否行走在盲道上。依据该专利所示，该专利能够识别盲人是否行走在盲道上，为盲人提供参考信息，同时，该专利也有一些不足之处：(1)鞋子的适用范围受到限制，适用于盲道，不能识别其他地面形态，比如草坪。(2)所述智能鞋适用于盲人穿着，不适用于外骨骼机器人，不能解算在行走过程中外骨骼的信息，如步态、重心位置变化等。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于外骨骼压力鞋数据采集系统及方法；压力鞋通过嵌入在鞋底的压力传感器(FSR:Force Sening Resistor)采集在行走过程中外骨骼与地面的作用力，通过压力解算算法提取其主要特征；通过惯性测量单元(IMU：Inertial Measurement Unit)测量在行走过程中压力鞋的加速度，通过一次积分、二次积分解算出速度和位移，再结合相应的算法解算出外骨骼在行走过程中的步态。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于外骨骼压力鞋的数据采集系统，包括压力鞋鞋体，它还包括多个压力传感器和电路控制板；所述的电路控制板包括ARM微处理器、惯性测量单元、电信号检测和放大电路、无线通信电路，所述的电信号检测和放大电路、惯性测量单元的输出端与ARM微处理器连接，ARM微处理器的信号输出端与无线通信电路连接；所述的压力传感器嵌入压力鞋鞋体中，压力传感器的电信号输出端与电信号检测和放大电路连接，电信号检测和放大电路的输出端与ARM微处理器连接；所述的惯性测量单元包括多个惯性传感器，所述的惯性传感器的输出端与ARM微处理器连接；所述的ARM微处理器对压力传感器采集的数据进行处理，计算出穿戴者的重心位置；同时，ARM微处理器融合惯性测量单元和压力传感器采集的数据进行处理，计算出穿戴者的所处的地面特性、运动状态和步态。

所述的压力鞋鞋体由三层构成，从上而下依次为金属顶板、橡胶中间层和橡胶底板，压力传感器嵌入在橡胶中间层和橡胶底板之间；所述的橡胶中间层设置有凹槽，用于放置传感器橡胶垫，所述的传感器橡胶垫与压力传感器接触的一面设置有粘性物质，用于固定压力传感器；所述的压力鞋鞋体底部设置有电路控制板安装部件，所述的电路控制板安装部件通过安装孔与压力鞋鞋体连接。

一种用于外骨骼压力鞋的数据采集系统还包括电源单元和控制单元，所述的控制单元将电源单元的电压转换后分别向ARM微处理器、无线通信电路和压力传感器。

一种用于外骨骼压力鞋的数据采集系统还包括CAN通信电路，所述的CAN通信电路用于电路控制板与其他节点板之间的通信。

一种用于外骨骼压力鞋的数据采集系统还包括串口通信电路，所述的串口通信电路用于下载调试程序和将数据传输给外部PC机，用于在线调试。

所述的压力传感器对称嵌入压力鞋鞋体中。

一种用于外骨骼压力鞋的数据采集方法，包括以下步骤：

S1：压力传感器采集压力鞋与地面相互接触的作用力，压力信号通过放大后传ARM微处理器处理；

S2：多个惯性测量单元测量在行走过程中压力鞋的加速度，然后将数据传给ARM微处理器处理；

S3：ARM微处理器对压力传感器的数据进行处理，结合相应的算法解算出穿戴者的重心位置；

S4：ARM微处理器融合压力传感器和惯性测量单元的数据，结合相应的算法解算出穿戴者所处的地面特性；

S5：ARM微处理器融合压力传感器和惯性测量单元的数据，结合相应的算法解算出穿戴者行走的运动状态和步态；