可穿戴型下肢助力機器人感知系統(tǒng)研究

式中：ω，h分別為圓形膜片的法向位移和厚度;F為施加力的等效集中力;f(r)，P(r)是僅與r有關的函數(shù)。

由上式可以看出，當半徑r一定，也就是壓敏電阻位置固定時，圓形膜片表面上的應變ε為

ε=kFF (3)

式中kF為應變系數(shù)常量。

由于使用等臂電橋，即R1=R2=R3=R4，有

式中：ε1，ε2，ε3，ε4分別是4個敏感電阻R1，R2，R3，R4的應變;ε為圓形膜片的總應變;G，k為常量;UX是橋路輸出電壓。

綜合式(4)，(5)，橋路的輸出電壓信號正比于傳感器的力信號，測量輸出電壓信號就可以得到被測目標的力信號。

傳感器硬件電路采用嵌入式片上系統(tǒng)，由數(shù)字電路和模擬電路兩部分組成，其中模擬電路由信號調零電路、運算放大電路和模擬濾波電路組成;數(shù)字電路部分主要包括A/D采樣模塊、數(shù)字計算模塊、CAN總線控制器、CAN總線驅動器和必要的外圍電路模塊。圖6是助力機器人力傳知系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的硬件電路原理框圖。

軟件設計分為下位機(微處理器)的軟件設計和上位機(PC)的軟件設計。每個傳感器作為一個節(jié)點通過CAN總線互聯(lián)，當接收到上位機的命令后，首先進行命令判斷，根據(jù)不同的命令作出相應的數(shù)據(jù)處理。上位機(PC)主要包括清零點、力信息(數(shù)字量)、回傳力信息、查詢力信息、屏蔽報警等命令。下位機的軟件設計主要由數(shù)據(jù)采集程序(A/D轉換)、數(shù)據(jù)處理程序以及CAN總線通訊程序三大部分組成。啟動CAN中斷以前，在主程序中進行一次數(shù)據(jù)采集，得到傳感器系統(tǒng)的初始值，這其中包括3個A/D轉換通道;延時，完成通道的初始化;數(shù)據(jù)采集是在CAN中斷程序中完成的，每一次中斷完成1組三維力信息數(shù)據(jù)的采集以及相應的A/D轉換;同時讀取轉換結果，對轉換結果進行數(shù)字處理，數(shù)字處理主要由數(shù)字濾波與力信息解耦兩大部分組成，數(shù)字濾波主要采用窗口移動法與數(shù)據(jù)平均值法相結合;數(shù)據(jù)經(jīng)過解耦處理后，通過SendData()函數(shù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上，上位機通過ID號識別接受下位機數(shù)據(jù)，具體流程見圖7。

4 傳感器標定實驗

E型膜片元件結構的復雜性使得產(chǎn)品特性的一致性比一維傳感器更難保證，應變計的貼片工藝很難保證絕對理想情況，這些因素決定傳感器的實際靜態(tài)特性和理論計算值之間存在一定的誤差，因此傳感器的靜態(tài)特性一般采用標定實驗的方法獲取，其標定準確度將直接影響傳感器使用時的測量準確度。所謂傳感器的標定，就是建立傳感器的三路輸出值與作用在傳感器坐標系原點上的三維力之間的數(shù)量關系。標定實驗過程包括靜態(tài)標定和實時測量驗證兩部分。為了減少隨機誤差的影響，采用一種具有一定冗余力向量的最小二乘標定方法。設F是加載力矩陣，V為傳感器的輸出矩陣(數(shù)字量)，C為標定矩陣，E為誤差矩陣，則

F=CV+E (6)

式中：F，V為已知量;E可以設定。于是，標定矩陣的求解可以轉化為求解標定矩陣C，使式(6)在最小二乘法意義下最優(yōu)。在微型指力傳感器標定過程中，對施加在傳感器上X，Y方向的載荷和敏感橋路之間的關系進行測量，其測量值(數(shù)字量)與所加砝碼數(shù)值的對應關系如圖8所示(XLable表示傳感器標定所加載荷，Ylable表示傳感器輸出數(shù)字量)。

從圖8可以看出，傳感器X方向加力時，所受載荷和傳感器敏感橋路輸出之間的映射關系可以基本認為是線性的，Y方向的最大耦合不超過2.5%。利用最小二乘法得到傳感器的兩組靜態(tài)標定矩陣為由此可以計算出傳感器的I類誤差為2%，II類誤差為2.5%。利剛C1，C2兩組標定矩陣對傳感器進行實時測量檢驗，結果顯示I類最大誤差不超過2%，II類誤差不超過2.5%。通過該標定系統(tǒng)得到的靜態(tài)標定矩陣和理論設計值比較接近，說明標定系統(tǒng)和標定方案是切實可行的。

5 結 論

本文針對一種新型的人體輔助型康復機器人，設計了一套基于CAN總線的下肢運動信息感知系統(tǒng)，見圖9。經(jīng)分析可穿戴型助力機器人所需要的控制信息可確定傳感器的種類、數(shù)量和安裝位置;重點介紹腿部和腳底力傳感器的彈性體設計，測量電路和上下位機軟件;對傳感器進行標定實驗并對數(shù)據(jù)進行分析，給出傳感器的一般性能指標，結果說明本研究中的設計理論和設計過程是正確的，基本可以滿足可穿戴型下肢助力機器人控制系統(tǒng)的需要。未來的工作主要集中在以下幾點：①繼續(xù)完善傳感器的彈性體結構，在滿足傳感器性能指標的基礎上進一步減小傳感器彈性體體積和精確確定應變計的貼片位置;②完善傳感器的測量電路設計，增加濾波電路，改進放大電路;③改進傳感器的標定系統(tǒng)，把標定誤差降至最低。