機器人感知模塊 - 可穿戴型下肢助力機器人感知系統(tǒng)研究

　　3 機器人感知模塊

　　3.1 人機系統(tǒng)接觸信息

　　可穿戴型下肢助力機器人主要利用人體下肢運動信息提供助力，這些運動信息主要包括人體與外骨骼機器人的腿部接觸力信號、腳底力信號，膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的角度信號等。為了獲取這些運動信息，設(shè)計一套基于CAN總線的多傳感器感知系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)的傳感器通信方式（主要是指RS-232和RS-485）中主節(jié)點單一和實時性差等問題。該系統(tǒng)由電機碼盤、安裝在腿部的2個二維力傳感器和安裝在腳底的6個一維力傳感器組成。腿部力傳感器固定在人腿膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)上部，用于測量人體與外骨骼之間的接觸力;腳底力傳感器安裝在腳尖和腳跟，用于測量地面反力;電機碼盤用于測量髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度，如圖1所示。

　　3.2 系統(tǒng)設(shè)計

　　腿部二維力傳感器是用于測量機器人外骨骼和人體之間的接觸力大小的傳感器，其測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性對助力機器人的控制有重要的意義。腿部力傳感器主要是由2個二維力傳感器組成，用于測量人體大、小腿與機器人外骨骼之間的接觸力，該接觸力包括沿人體腿部的力（X方向）和垂直腿部的力（Y方向）。在下肢助力機器人的控制中，除了要知道人體腿部與機器人的作用力之外，還需要知道人體腳底對機器人的作用力，而腳部力傳感器是測量地面對人機系統(tǒng)的作用反力。人體落腳對地面的著力點可以用三個支撐點表示，這三個支撐點的位置分別位于第一跖骨根部和第五跖骨根部以及后腳跟，人體靠這三點間產(chǎn)生的足弓支撐身體，而身體的重量經(jīng)由這三點傳遞到地面。為了準(zhǔn)確獲取行走時腳底的力信息，腳底力傳感器的安裝位置就定在這三點的位置上，每只腳需要安裝3個一維力傳感器，共需要 6個一維力傳感器，具體安裝位置見圖3。由于腳底機械部分的限制，傳感器彈性體體積比較小，其本體機械尺寸φ40 mm（直徑）×8 mm（厚度），量程為1000 N。

　　3.3 傳感器設(shè)計

　　彈性體的設(shè)計是多維傳感器設(shè)計中的關(guān)鍵。本文在利用有限元分析方法對傳感器彈性體的靜態(tài)和動態(tài)特性仿真分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種基于E型膜片的彈性體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、維間耦合小、容易標(biāo)定的特點。整個彈性體主要由彈性膜片、應(yīng)變計和受力轉(zhuǎn)接體三個部分組成，彈性體由兩層 E型膜片構(gòu)成，實現(xiàn)X和Y兩個方向應(yīng)變力的測量。彈性膜片為圓形結(jié)構(gòu)，其直徑和厚度分別為φ15 mm和2 mm，厚度方向和測量方向一致。敏感元件采用箔式電阻應(yīng)變片，應(yīng)變片粘貼在E型膜片上。傳感器的輸出是E型膜片的應(yīng)力，應(yīng)力的測量方式很多，本研究采用箔式電阻應(yīng)變片，應(yīng)變片粘貼在E型膜片上，用于測量彈性體上應(yīng)力的大小。應(yīng)變計貼片位置如圖4所示，X和Y方向應(yīng)變片安裝在E型膜片的下端，四片應(yīng)變片電阻組成一個惠斯登全橋電路（如圖5所示），實現(xiàn)輸出信號的自動解耦。當(dāng)力作用于傳感器時，由于力大小、方向的不同，各個方向的敏感電阻受到的應(yīng)力不同，從而得到力與應(yīng)變之間的關(guān)系。以X方向為例，E型膜片敏感彈性部分的圓環(huán)平膜片屬于薄板結(jié)構(gòu)，在X向力的作用下，邊界條件比較簡單，可以等效為外圓周固定，集中應(yīng)力作用在硬中心的圓形薄板。根據(jù)薄板理論可知，周邊固支具有硬中心的膜片在半徑r處的徑向應(yīng)力εr和切向應(yīng)力εθ為

　　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，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(biāo)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(diào)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(qū)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(shè)計分為下位機（微處理器）的軟件設(shè)計和上位機（PC）的軟件設(shè)計。每個傳感器作為一個節(jié)點通過CAN總線互聯(lián)，當(dāng)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(yīng)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(shè)計主要由數(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(zhuǎn)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(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換;同時讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，對轉(zhuǎn)換結(jié)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(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，上位機通過ID號識別接受下位機數(shù)據(jù)，具體流程見圖 7。