可穿戴型下肢助力機(jī)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(guān)的函數(shù)。

由上式可以看出，當(dāng)半徑r一定，也就是壓敏電阻位置固定時(shí)，圓形膜片表面上的應(yīng)變ε為

ε=kFF (3)

式中kF為應(yīng)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(gè)敏感電阻R1，R2，R3，R4的應(yīng)變;ε為圓形膜片的總應(yīng)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(hào)正比于傳感器的力信號(hào)，測(cè)量輸出電壓信號(hào)就可以得到被測(cè)目標(biāo)的力信號(hào)。

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(hào)調(diào)零電路、運(yùn)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(jì)算模塊、CAN總線控制器、CAN總線驅(qū)動(dòng)器和必要的外圍電路模塊。圖6是助力機(jī)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(shè)計(jì)分為下位機(jī)(微處理器)的軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)(PC)的軟件設(shè)計(jì)。每個(gè)傳感器作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)通過CAN總線互聯(lián)，當(dāng)接收到上位機(jī)的命令后，首先進(jìn)行命令判斷，根據(jù)不同的命令作出相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。上位機(jī)(PC)主要包括清零點(diǎn)、力信息(數(shù)字量)、回傳力信息、查詢力信息、屏蔽報(bào)警等命令。下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)主要由數(shù)據(jù)采集程序(A/D轉(zhuǎn)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(dòng)CAN中斷以前，在主程序中進(jìn)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(gè)A/D轉(zhuǎn)換通道;延時(shí)，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(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換;同時(shí)讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)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(dòng)法與數(shù)據(jù)平均值法相結(jié)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(jī)通過ID號(hào)識(shí)別接受下位機(jī)數(shù)據(jù)，具體流程見圖7。

4 傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

E型膜片元件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使得產(chǎn)品特性的一致性比一維傳感器更難保證，應(yīng)變計(jì)的貼片工藝很難保證絕對(duì)理想情況，這些因素決定傳感器的實(shí)際靜態(tài)特性和理論計(jì)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(biāo)定實(shí)驗(yàn)的方法獲取，其標(biāo)定準(zhǔn)確度將直接影響傳感器使用時(shí)的測(cè)量準(zhǔn)確度。所謂傳感器的標(biāo)定，就是建立傳感器的三路輸出值與作用在傳感器坐標(biāo)系原點(diǎn)上的三維力之間的數(shù)量關(guān)系。標(biāo)定實(shí)驗(yàn)過程包括靜態(tài)標(biāo)定和實(shí)時(shí)測(cè)量驗(yàn)證兩部分。為了減少隨機(jī)誤差的影響，采用一種具有一定冗余力向量的最小二乘標(biāo)定方法。設(shè)F是加載力矩陣，V為傳感器的輸出矩陣(數(shù)字量)，C為標(biāo)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(shè)定。于是，標(biāo)定矩陣的求解可以轉(zhuǎn)化為求解標(biāo)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(biāo)定過程中，對(duì)施加在傳感器上X，Y方向的載荷和敏感橋路之間的關(guān)系進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量值(數(shù)字量)與所加砝碼數(shù)值的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖8所示(XLable表示傳感器標(biāo)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(shí)，所受載荷和傳感器敏感橋路輸出之間的映射關(guān)系可以基本認(rèn)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(biāo)定矩陣為由此可以計(jì)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(biāo)定矩陣對(duì)傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量檢驗(yàn)，結(jié)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(biāo)定系統(tǒng)得到的靜態(tài)標(biāo)定矩陣和理論設(shè)計(jì)值比較接近，說明標(biāo)定系統(tǒng)和標(biāo)定方案是切實(shí)可行的。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)一種新型的人體輔助型康復(fù)機(jī)器人，設(shè)計(jì)了一套基于CAN總線的下肢運(yùn)動(dòng)信息感知系統(tǒng)，見圖9。經(jīng)分析可穿戴型助力機(jī)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(diǎn)介紹腿部和腳底力傳感器的彈性體設(shè)計(jì)，測(cè)量電路和上下位機(jī)軟件;對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，給出傳感器的一般性能指標(biāo)，結(jié)果說明本研究中的設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)過程是正確的，基本可以滿足可穿戴型下肢助力機(jī)器人控制系統(tǒng)的需要。未來的工作主要集中在以下幾點(diǎn)：①繼續(xù)完善傳感器的彈性體結(jié)構(gòu)，在滿足傳感器性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步減小傳感器彈性體體積和精確確定應(yīng)變計(jì)的貼片位置;②完善傳感器的測(cè)量電路設(shè)計(jì)，增加濾波電路，改進(jìn)放大電路;③改進(jìn)傳感器的標(biāo)定系統(tǒng)，把標(biāo)定誤差降至最低。