一种用于外骨骼压力鞋的数据采集系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种用于外骨骼压力鞋的数据采集系统及方法，系统包括压力鞋鞋体、多个压力传感器（201）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ARM微处理器对压力传感器（201）采集的数据进行处理，计算出穿戴者的重心位置以及所处的地面特性；同时，ARM微处理器对惯性测量单元采集的数据进行处理，计算出穿戴者的运动状态和步态。本发明专利技术能够识别外骨骼所处的地面特性，例如硬化水泥路、草坪等；为外骨骼控制系统提供地面信息，拓展了外骨骼的行走空间；同时能够检测外骨骼所自身处的运动状态（如坐立、站立、行走等状态）以及外骨骼行走时的行走步态，为外骨骼控制系统提供行走姿态数据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于外骨骼压力鞋的数据采集系统及方法。
技术介绍
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。本专利技术旨在专利技术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CN104856845A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。
技术实现思路
本专利技术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:ForceSeningResistor)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：InertialMeasurementUnit)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。本专利技术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；S6：ARM微处理器通过无线通信单元将处理后的数据传给外部。步骤S3中重心计算的具体实现如下： P x = Σ i = 1 n P ix * F ix Σ i = 1 n F ix ; - - - ( 1 ) ]]> P y = Σ i = 1 n P iy * F iy Σ i = 1 n F iy ; - - - ( 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于外骨骼压力鞋的数据采集系统，包括压力鞋鞋体，其特征在于：它还包括多个压力传感器(201)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(201)嵌入压力鞋鞋体中，压力传感器(201)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(201)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(201)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。

【技术特征摘要】
1.一种用于外骨骼压力鞋的数据采集系统，包括压力鞋鞋体，其特征在于：它还包括多
个压力传感器(201)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(201)嵌入压力鞋鞋体中，压力传感器(201)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(201)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(201)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。
2.根据权利要求1所述的一种用于外骨骼压力鞋的数据采集系统，其特征在于：所述的
压力鞋鞋体由三层构成，从上而下依次为金属顶板(101)、橡胶中间层(102)和橡胶底板(103)，
压力传感器(201)嵌入在橡胶中间层(102)和橡胶底板(103)之间；所述的橡胶中间层(102)
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(201)接触的一面
设置有粘性物质，用于固定压力传感器。
3.根据权利要求1所述的一种用于外骨骼压力鞋的数据采集系统，其特征在于：所述的
电路控制板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(201)。
4.根据权利要求1所述的一种用于外骨骼压力鞋的数据采集系统，其特征在于：所述的
电路控制板还包括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。
5.根据权利要求1所述的一种用于外骨骼压力鞋的数据采集系统，其特征在于：所述的
电路控制板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。
6.根据权利要求1所述的一种用于外骨骼压力鞋的数据采集系统，其特征在于：所述的
压力传感器(201)对称嵌入压力鞋鞋体中。
7.一种用于外骨骼压力鞋的数据采集方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：压力传感器(201)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(201)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(201)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(201)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；
S6：ARM微处理器通过无线通信单元将处理后的数据传给外部。
8.根据权利要求7所述的一种用于外骨骼压力鞋的数据采集方法，其特征在于：步骤
S3中重心计算的具体实现如下：
P x = Σ i = 1 n P i x * F i x ...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱静，邓清龙，张良伟，岳春峰，林西川，李鹏，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51