下肢助力外骨骼机器人步态模式识别方法及系统的制作方法[0002]下肢助力外骨骼机器人结合了人与机器人的优点，把人与机器人组合在一个系统里，充分发挥人的动作导向能力与机器人承担负载的能力。此下肢助力外骨骼机构能被穿戴者穿在身上，并时刻保持与穿戴者一致的行走动作，像人体的外骨骼一样代替人体承担外部负载，从而达到行走助力的目的。[0003]为了缓解大负重、长距离行走引起的下肢伤痛问题；人口老龄化日益加剧带来的社会问题；及由于交通、地震灾害等引起的下肢伤残等问题；故对此种人机一体化的下肢助力外骨骼系统进行研究具有重要的意义，且将具有广泛的应用前景。[0004]对于下肢助力外骨骼机器人的控制，其中最关键的因素是采集穿戴者的运动意图及运动趋势，只有很好的获取穿戴者的运动意图，才能对下肢助力外骨骼进行控制，使其快速的跟随穿戴者进行有效助力。 [0005]目前，对穿戴者运动意图的获取一类是进行肌电信号、脑电信号的检测，由于肌电、脑电信号存在信号微弱，不稳定的缺点，使得信号的采集、处理及分析都非常复杂。[0006]另一类是通过在穿戴者身上安装角度、加速度传感装置，并检测穿戴者的脚底力信息进行运动信息的检测，进而对下肢外骨骼实施控制。在脚底力信息检测中，设计一套便于穿戴，能准确获取人体的行走模式及一个步态周期内确切运动相位的测力系统非常重要。
[0007]针对下肢助力外骨骼机器人控制中存在的问题及对穿戴者行走运动模式识别的需求，本发明提供了一种人体运动模式识别方法，通过内嵌在机器人鞋底处的压力传感装置对穿戴者的脚底压力信息进行检测，设计信号调理电路，数据转换模块、无线传输模块等获得脚底压力信息，把获得的脚底压力信息与人体步态数据库内的行走模式进行比较匹配，判断出其行走模式，并对一个步态周期内的运动相进行识别，实现下肢助力外骨骼机器人运动状态的实时检测，便于机器人的运动控制。[0008]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
一种下肢助力外骨骼机器人步态模式识别方法，
内嵌在下肢助力外骨骼机器人鞋底处的压力传感装置对穿戴者的脚底压力信息进行检测，通过信号调理电路、无线传输模块使数据处理模块获得脚底压力信息；
数据处理模块将获得的脚底压力信息与人体步态数据库内的行走模式进行比较匹配，判断得出行走模式，并对一个步态周期内的运动相进行识别，判断得出运动相位；
进行数据处理分析，匹配识别后的结果传输给下肢助力外骨骼机器人的控制系统，作为控制依据。
[0009]优选地，数据库中存放有运动模式的特征参数，包括人体平地行走、楼梯行走、斜坡行走、跳跃、下蹲、跑步运动模式下的脚底力信息。
[0010]优选地，分析得出在一个步态周期内的运动相位:
当后脚跟压力小于预设阈值，前脚掌压力逐渐增加时，表示穿戴者正在蹬离地面；
当前脚掌与后脚跟的压力均小于预设阈值时，表示穿戴者进入摆动腿工作模式阶段； 当后脚跟压力逐渐增大，而前脚掌压力小于预设阈值时，表示穿戴者进入脚跟着地阶
段；
当后脚跟与前脚掌压力均大于预设阈值时，表示穿戴者进入支撑腿工作模式阶段。
[0011]一种下肢助力外骨骼机器人步态模式识别系统，用于获得脚底压力信息并识别出的下肢助力外骨骼运动模式，并将识别出的运动相位上传给上位机的控制系统，为控制系统进行下肢助力外骨骼运动控制提供依据；
包括内嵌在测力鞋内的上层鞋垫和下层鞋垫间的PVDF压力传感器、信号调理电路、数据转换模块、无线传输模块、数据处理模块；
通过内嵌在下肢助力外骨骼机器 人足部的压力鞋垫对穿戴者的运动意图进行实时检
测；
信号调理电路、无线传输模块使数据处理模块获得脚底压力信息；
数据处理模块将获得的脚底压力信息与人体步态数据库内的行走模式进行比较匹配，判断得出行走模式，并对一个步态周期内的运动相进行识别，判断得出运动相位；
进行数据处理分析，匹配识别后的结果传输给下肢助力外骨骼机器人的控制系统，作为控制依据。
[0012]优选地，信号调理电路包括电荷放大电路、低通滤波电路、电压放大电路；
在积分电路中，采用高输入阻抗CA3140作为前置运放；
在低通滤波电路中，采用0P07芯片组合电容、电阻形成的二阶Butterworth有源低通滤波电路；
在电压放大电路中，采用高增益运算放大器UA741芯片，提供输出短路保护和闭锁的自由运作。
[0013]优选地，如权利要求4所述的下肢助力外骨骼机器人步态模式识别方法，其特征在于:PVDF压力传感器位于鞋垫的中层，在每只脚中布局方式为前脚掌5个，后脚跟3个。
[0014]优选地，如权利要求4所述的下肢助力外骨骼机器人步态模式识别方法，其特征在于:数据转换模块采用多路的A/D转换，使用集成的数据采集卡，数据采集卡模拟输入端端口数大于两足的传感点数量。
[0015]本发明的有益效果是:本发明提供下肢助力外骨骼穿戴者的行走模式及在每一个步态周期内详细的运动相位，为下肢助力外骨骼的控制提供了丰富的决策依据。不仅能为下肢助力外骨骼提供穿戴者的运动信息，还可广泛应用于人体步态识别。而采用鞋垫式压力检测系统，内嵌在外骨骼机器人鞋内，具有穿戴方便的优点。采用无线传输方法，使得穿戴者摆脱了电缆等传统物理媒介的束缚。



图2是实施例中基于PVDF的压力传感器在脚底的布置示意图；
图3是信号调理电路中电荷放大电路图；
图4是信号调理电路中二阶低通滤波电路图；
图5是信号调理电路中电压放大电路图；
图6是步态周期内人体的步态相位分析示意图。

[0017]下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
[0018]本发明是一种下肢助力外骨骼机器人步态模式识别方法，为下肢助力外骨骼机器人提供控制决策，如图1所示。
[0019]首先，内嵌在下肢助力外骨骼机器人鞋底处的压力传感装置对穿戴者的脚底压力信心进行检测，通过信号调理电路、数据转换模块及无线传输模块等获得脚底压力信息。
[0020]由获得的脚底压力信息与数据库中的人体步态特征相匹配。人体步态数据库中存放了人体平地行走、楼梯行走、斜坡行走、跳跃、下蹲、跑步等各种运动模式下的脚底力信息。由匹配结果，初判下肢助力外骨骼机器人处于何种运动模式。
[0021]把获得的脚底压力信息与人体步态数据库内的行走模式进行比较匹配，判断出其行走模式，并对一个步态周期内的运动相进行识别，判断其处于脚跟着地阶段、脚底放平支撑阶段、脚尖蹬离地面阶段及摆动阶段中的哪一种运动相位。
[0022]对获取信息进行运动模式下的进一步的步态识别，分别对前脚掌的及后脚跟的传感器输出压力进行预设阈值的比较，当后脚跟压力小于预设阈值，前脚掌压力逐渐增加时，表示穿戴者正在蹬离地面；当前脚掌与后脚跟的压力均小于预设阈值时，表示穿戴者进入摆动腿工作模式阶段；当后脚跟压力逐渐增大，而前脚掌压力小于预设阈值时，表示穿戴者进入脚跟着地阶段；当后脚跟与前脚掌压力均大于预设阈值时，表示穿戴者进入支撑腿工作模式阶段。
[0023]把识别出的下肢助力外骨骼运动模式传输给上位机控制控制系统，进行下肢助力外骨骼机器人的运动控制。
[0024]其中，压力传感器的布局图如图2所示，前脚掌有5个，后脚跟有3个，前脚掌或后脚跟的压力传感器均层三角形分布。PVDF固定在上、下夹层中。
[0025]信号调理电路，包含电荷放大电路，也称为积分电路，二阶低通滤波电路及电压放大电路。由于PVDF压电薄膜输出信号非常微弱，要把信号通过前置电荷放大器放大，电荷放大器本质上是一个积分电路，即将传感器输出的电荷，在积分电容上累积然后以电压的形式输出，故也称前置电荷-电压转换电路。电荷放大电路是个非常灵敏的电路，很有可能就将干扰信号引进到电路中，因此需对经过电荷放大路输出的信号进行滤波，必须有滤波电路。采用低温漂、高精度的贴片式运放与电阻电容，减少了电路板的尺寸。在传感单元与电路板之间，采用多芯的屏蔽线连接，可屏蔽外来的干扰信号，同时降低传输信号的损耗。
[0026]如图3所示，在积分电路中，选用高输入阻抗CA3140作为前置运放。同时电路还包含反馈电容Cl及反馈电阻R2两个重要元器件。另外，为了保护运放CA3140，在其反相输入端串接电阻R3，并在R3两端并联电容C3，实现相位补偿，这样则可避免R3与运放CA3140的输入电容构成两一个极点，使运放产生自激振荡。
[0027]如图4所示，在低通滤波电路中，采用0P07芯片组合电容、电阻形成的二阶Butterworth有源低通滤波电路。如图5所示,在电压放大电路中，采用高增益运算放大器UA741芯片，这类单片硅集成电路器件提供输出短路保护和闭锁的自由运作。
[0028]在数据库中存放了各种运动模式的特征参数，包括人体平地行走、楼梯行走、斜坡行走、跳跃、下蹲、跑步等各种运动模式下的脚底力信息。进行各种运动的模式的实验研究，提取其脚底压力运动特征，存放数据库中，便于下肢助力外骨骼实时运动中压力信息的匹配比较及行走模式的判定。
[0029]为根据获取的信息,进行精确的步态相位识别，图6为平地行走运动中一个步态周期内的运动相位图，从相位图中可看出，在一个步态周期内，人体的运动可分为支撑期与摆动期，再进一步细化可分为足跟着地、全足放平、支撑中期、脚跟离地、脚尖离地、加速推离、摆动中相及减速着地阶段。根据分布在前脚掌的5个传感器及后脚跟的3个传感器信息，可对运动相位进行分析，例如，当后脚跟压力小于预设阈值，前脚掌压力逐渐增加时，表示穿戴者正在蹬离地面；当前脚掌与后脚跟的压力均小于预设阈值时，表示穿戴者进入摆动腿工作模式阶段；当后脚跟压力逐渐增大，而前脚掌压力小于预设阈值时，表示穿戴者进入脚跟着地阶段；当后脚跟与前脚掌压力均大于预设阈值时，表示穿戴者进入支撑腿工作模式阶段。
[0030]把识别出的运动相位上传给上位机的控制系统，便于下肢助力外骨骼控制策略的实施。
[0031]上述各实施例例仅用于说明本发明，脚底压力传感器的选取及布局、信号调理电路的设计、步态模式的识别 流程均可以有所变化，在本发明技术方案的基础上，本领域的技术人员能够用显而易见地想到的一些变型或替代的方案，均应落入本发明保护的范围。