下肢助力外骨骼服傳感靴的優(yōu)化設(shè)計

趙浩，莫新民，紀平鑫，周加永，呂啟元

（西北機電工程研究所，咸陽712099）

引 言

在下肢助力外骨骼服系統(tǒng)中，傳感靴起到了十分重要的作用。當穿戴上外骨骼服后，傳感靴與地面直接接觸，并通過其內(nèi)置的壓力傳感器檢測壓力值的變化。通過放大電路，將壓力信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并反饋到控制系統(tǒng)中，這些信息對控制決策系統(tǒng)進行步態(tài)判斷和穿戴者運動意圖的分析有重要作用。因此，傳感靴中壓力傳感器和放大電路的設(shè)計是非常重要的，直接影響到外骨骼服的性能和穩(wěn)定性[1-3]。

1 壓力傳感器的選擇

利用壓力傳感器進行傳感靴足底壓力測量時，需要對足底多部分的壓力信息進行測量。在進行測量的過程中，為了保證選用的壓力傳感器能夠較好地滿足測量范圍的要求，同時盡可能提高測量的精確度，壓力傳感器需要滿足以下幾個條件：

①壓力傳感器的安裝位置不能對穿戴者的運動造成干擾。下肢助力外骨骼服傳感靴的底板有一定厚度，如果選擇的壓力傳感器高于傳感靴的底板，就會給穿戴者造成不舒適感，影響穿戴者的正常行走。

②壓力傳感器的量程要合適。在正常人行走過程中，與足底壓力相關(guān)的主要有兩個參數(shù)：平均靜態(tài)足底壓力參數(shù)和平均動態(tài)壓力參數(shù)。通過查閱相關(guān)的參考文獻得知，我國正常成年人的平均靜態(tài)足底壓力的最大值為（1.28±0.33）kg/cm2，平均動態(tài)足底壓力的最大值為（2.96±0.66）kg/cm2。由于下肢助力外骨骼服穿戴者的個體差異較大，為了保證有較高的容錯性，壓力傳感器的量程必須能夠達到這兩個參數(shù)的最大值[4]。

③壓力傳感器要有較好的時滯性和重復性。由于人體正常步行過程是一個周期重復性的過程，為了保證在這個過程中對壓力的重復測量，必須選擇一款重復性和時滯性都較好的傳感器。

通過對現(xiàn)有傳感器進行調(diào)研，篩選了能夠同時滿足上述條件的傳感器，進行了兩種實驗方案設(shè)計。方案一選用德國ME公司的KM26壓力傳感器，方案二選用Tekscan公司的FlexiForce系列電阻式薄膜壓力傳感器。

ME公司的KM26傳感器是一種小尺寸的壓力傳感器，主要用于壓縮力的測量，可以選擇的量程范圍是100 N～10 k N。在傳感器的頂部有一個直徑為40 mm的圓形凸起用來感知壓力。安裝時需要將傳感器固定在一個平面上，并且將圓形凸起高出表面，防護等級為IP67。根據(jù)計算，在方案一中選用500 N量程的傳感器。

Tekscan公司的FlexiForce系列傳感器的厚度為0.2 mm，并且具有良好的卷曲性。提供了0～4.4 N、0～111 N、0～445 N三個量程范圍進行選擇，可以根據(jù)測量范圍的大小選擇不同量程的傳感器。在方案二中，采用的傳感器型號為A201，量程范圍是0～445 N。

KM26和A201兩種傳感器的性能參數(shù)和特性對比如表1所列。

表1 KM26和A201傳感器特性對比

可以看出，KM26傳感器在性能上要優(yōu)于A201。但KM26的安裝較為復雜，需要將鞋底進行處理；A201為薄膜傳感器，有很大的韌性，可以直接粘貼在鞋墊上。A201在售價上很有優(yōu)勢，僅為KM26的1/10，且A201的接線方式較為簡單。綜合本設(shè)計的實際使用需求，A201的精度已經(jīng)可以滿足，因此將A201作為本設(shè)計優(yōu)先選擇的傳感器。

2 壓力傳感器的布局

人的足底大致可分為以下15個區(qū)域：足跟區(qū)（區(qū)域1～3）、足弓區(qū)（區(qū)域4～5）、跖骨區(qū)（區(qū)域6～10）、趾骨區(qū)（區(qū)域11～15），如圖1所示[5]。

查閱相關(guān)資料研究發(fā)現(xiàn)，正常人在行走過程中足底各部分壓力從小到大依次為：足弓區(qū)（區(qū)域4～5）、趾骨區(qū)1（區(qū)域11～14）、趾骨區(qū)2（區(qū)域15）、跖骨區(qū)1（區(qū)域6～9）、跖骨區(qū)2（區(qū)域10）、足跟區(qū)（區(qū)域1～3），并且在足弓區(qū)的壓力信號非常微弱，可以不進行采集。

圖1 足底分布圖及傳感器安裝位置圖

綜上所述，在傳感器的安裝位置方面，如果整個足底布滿傳感器將使腳底壓力變得極為復雜，而且在足弓區(qū)沒辦法檢測到壓力值的變化，導致控制系統(tǒng)的算法分析、計算都會產(chǎn)生很多困難。為了能夠降低成本、精簡控制算法，在方案一和方案二兩種傳感器的分布情況下，分別在足底安裝了5個壓力傳感器，分別是足跟區(qū)1個、跖骨區(qū)3個、趾骨區(qū)1個，如圖1所示。這樣的布局既能夠保證所采集的壓力信號可以真實反映實際的步態(tài)，又簡化了下肢助力外骨骼的電氣硬件配置和控制算法，對于整個系統(tǒng)的正常運行起到了十分重要的作用。

3 信號轉(zhuǎn)換放大電路的設(shè)計

在方案一中使用的是KM26壓力傳感器，生產(chǎn)廠家配有相應的信號轉(zhuǎn)換放大電路板，可以隨傳感器一同購買。供電電壓為12 V或24 V，接線較為簡單，但電路板的售價較為昂貴，成本較高。

在方案二中所使用的是A201薄膜壓力傳感器，其沒有配套的信號轉(zhuǎn)換放大電路板，需要自行設(shè)計。由于控制系統(tǒng)要采集的是0～10 V的電壓信號，因此需要將薄膜壓力傳感器的壓力信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。

A201薄膜壓力傳感器的技術(shù)資料中提供了相關(guān)的參考電路，所選用的運算放大器是Microchip公司的MCP6001/2/4系列運算放大器。這一系列器件具有1 MHz增益帶寬積和90°相位容限（典型值），供電電壓為1.8～5.5 V，提供單運放、雙運放和四運放封裝。在本設(shè)計中，足底共安裝了5只薄膜壓力傳感器，因此需要同時采集5路的壓力信號并轉(zhuǎn)換為電壓信號。為了減小印制板的尺寸和減少芯片的使用數(shù)量，選用3個雙運放輸出的SOIC封裝的MCP6002芯片作為運算放大器[6]。

參考電路中的輸出電壓計算公式為：Vout＝-VT×（RF/RS）。其中，RS為薄膜壓力傳感器的電阻，RF為反饋電阻（最小為1 kΩ），VT為工作電壓，Vout為輸出電壓。在測量過程中，為了能夠得到更大的輸出量程，需要降低工作電壓并且減小反饋電阻的阻值。經(jīng)過計算，為了使得實驗測得的輸出電壓能夠滿足實際的使用要求，在本設(shè)計中選用-5 V為工作電壓，反饋電阻為100 kΩ。放大電路的原理圖如圖2所示。

圖2 信號轉(zhuǎn)換放大電路原理圖

4 數(shù)據(jù)采集及通信接口設(shè)計

本設(shè)計采用PIC18F2580單片機模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊對信號進行A/D轉(zhuǎn)換，等待定時中斷到來后，將數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上。具體軟件流程圖如圖3所示。在下肢助力外骨骼服控制系統(tǒng)中要求的感知信號傳輸周期為10 ms，在進行軟件的設(shè)計過程中，對5個壓力傳感器信號采用輪詢方式不間斷采樣，并將這些信號放入CAN總線的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，另外，設(shè)置10 ms的時鐘timer，當時鐘中斷到來時，將單片機緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上。

圖3 數(shù)據(jù)采集軟件流程圖

5 實驗結(jié)果及分析

實驗選取一名男性被測者，體重70公斤，右腳穿傳感靴，分別進行平地行走和上下階梯實驗。平底行走的步幅為40 cm，并劃定步幅指引線，保證所采集數(shù)據(jù)的一致性。階梯的高度為17 cm，寬度為40 cm，實驗中采取上3級臺階之后下2級臺階為一個采樣周期。測試者分別穿戴方案一和方案二兩種傳感器設(shè)計方案的傳感靴進行平地行走和上下階梯實驗。在控制系統(tǒng)中，采用了VC＋＋軟件所編寫的程序進行信號的采集和顯示，數(shù)據(jù)采樣周期為10 ms。實驗結(jié)果如圖4和圖5所示，分別為采用方案一和方案二所選擇的傳感器進行平地行走和上下階梯實驗的采樣曲線[7]。

圖4 方案一進行平地行走和上下階梯實驗采樣曲線圖

圖5 方案二進行平地行走和上下階梯實驗采樣曲線圖

結(jié) 語

足底安裝的5只傳感器的采樣曲線分別用5種曲線樣式進行表示。在進行平地行走實驗時，測試者共走了3步，從圖4（a）和圖5（a）中可以看出有3個曲線尖峰。在進行上下樓梯實驗時，測試者的前3步為上樓梯，后兩步為下樓梯，從圖4（b）和圖5（b）中可以看出有5個曲線尖峰。

還可以看出，在一個步態(tài)周期中腳后跟處傳感器的壓力值最大，趾骨區(qū)次之，跖骨處的壓力值最小，基本能夠區(qū)分人正常行走時的落地、支撐和離地三個階段。

同一名測試者分別穿戴方案一和方案二所安裝傳感器的傳感靴進行實驗，能夠基本反映出人在行走時的步態(tài)情況，控制系統(tǒng)能夠以此為依據(jù)進行算法的分析和設(shè)計。

從圖4和圖5中可以明顯看出，方案二的采樣曲線要明顯好于方案一。方案一中平地行走腳后跟曲線最大峰值為100，方案二中則為120；方案一中上下階梯實驗腳后跟曲線最大峰值為100，方案二為160。

方案二中的曲線更平滑，每一個步態(tài)周期都能夠明顯區(qū)別出來，穩(wěn)定性和重復性更好，對于控制系統(tǒng)對下肢助力外骨骼服的運動趨勢判斷有很大的優(yōu)勢。因此，選擇FlexiForce A201傳感器的方案二在工作中的性能表現(xiàn)更好，更適合在下肢助力外骨骼服傳感靴中進行應用。

本文介紹了下肢助力外骨骼服傳感靴的設(shè)計，分別選取了采用不同傳感器的兩種方案進行對比實驗。詳細介紹了傳感靴中傳感器的選擇、安裝位置、信號放大轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計、數(shù)據(jù)采集及通信接口電路的設(shè)計，并選取了一名測試者進行了平地行走和上下階梯實驗。

實驗結(jié)果表明，選取FlexiForce A201傳感器的方案二在實驗中的性能參數(shù)可以更好地反映出下肢助力外骨骼服的步態(tài)，為控制系統(tǒng)對于外骨骼的驅(qū)動算法和運動趨勢研究提供了可靠的基礎(chǔ)。

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