第 4 章 下肢外骨骼机器人人机交互系统设计
4.2 足底多传感器系统设计
下肢外骨骼机器人应用最多的工况是由穿戴者穿着后在平地行走，因此本章 设计的多传感器融合系统及步态识别算法，目前仅针对于平地行走的工况。由于 人体正常的行走步态是呈周期性的特点，因此仅需要研究一个周期内的人体步态 即可分析脚底的周期状况，通常将从一侧脚跟着地开始到该脚跟再次着地为止，
算作一个步态周期，根据文献[23]的描述，绘制的人体步态周期如下图：
图 4.1 人体步态周期
通常将人体步态周期分为支撑相和摆动相，在前文已有描述，支撑相约占步 态周期的 60%，摆动相约占 40%。结合图 4.1，观察黑色右腿，可知脚底在步态 周期中存在几个状态：脚跟着地、脚掌着地、脚掌着地、脚跟离地、脚趾离地、
脚部悬空、脚部悬空、脚跟着地。同理观察白色左腿，可知脚底的步态周期与上 述顺序正好相反。通过上述对脚底在人体步行过程中状态的总结，可以发现在人
体的步态周期中，脚底主要存在四个状态：脚跟着地、脚掌着地、脚趾离地以及 脚掌悬空。
以往的研究表明，在人们短暂移动时，COG 的变化是要超前于行走动作的
[107]。因此，COG 位置的变化可以作为检测步态变化的预测信息。在 HAL 的设计
中，脚底压力传感器作为一种可靠的实现方案得以应用。Flexiforce 是一种电阻式 压力传感器，其非常的柔软，并且非常的轻薄，由 Tekscan 公司出品，其具有较 好的线性度、时滞性、重复特性，主要包含两层聚酯薄膜。FlexiForce A401 作为 其中标准的压阻式力传感器有着最大的敏感面积，其厚度仅有 0.203mm，直径 31.8mm 的圆面，敏感区域的直径达到 25.4mm。
图 4.2 Flexiforce A401
Flexiforce A401 是一种薄膜电阻式的压力敏感元件，其特性是随着压力的增 大，Flexiforce 的电导特性会发生改变，输出电压与输入压力呈非线性关系，因此 需要使用电流-电压转换电路，转换电路如图 4.3。
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图 4.3 Flexiforce A401 调理电路
MCP6002 是 Microchip Technology Inc.专为各种通用应用设计的运算放大器，
主要应用在汽车、便携式设计及笔记本电脑中，它具有 1MHz 的增益带宽积，即 使单电源供电电压只有 1.8v，该运算放大器也能够工作，并且静态电流为 100uA，
工业级的应用温度范围在-40℃~85℃。TC7660 是可以将 1.5v~10v 的输入电压转 化为-1.5v~-10v 的电荷泵，片上振荡器可以使其工作在 10kHz 下。Rw1 电阻可以 根据不同的情况进行调节，从而使得满量程输出在 0~5v 区间。根据运放的性质，
可得到输出电压与传感器压敏电阻间的关系：
11 w1
o i
x
v R v
R R
(4-1)
式中，v 表示传感器的供电电压，i Rw1表示滑动变阻器实际接入的电阻，R 表示x 传感器受压后所显现的电阻值。
在选择好压力传感器及相应的处理电路之后，还要考虑传感器在脚底的安装 位置，Jung-Hoon Kim 等人为了明确脚底压力传感器的布置，通过人体压力测量 系统（BPMS）进行了实验，并且得到了步行过程中脚底的压力分布，如图 4.4，
在人体正常行走时，脚底压力主要集中在脚跟和前脚掌处，因此，为了系统简便 但又能提取运动步态，采用在脚底布置两个压敏电阻的形式。
图 4.4 脚底压力分布[165]
考虑到实际穿戴环境的复杂性，以及参考 Kazerooni 在 BLEEX 脚底的设计
[26]，文献中所述的 BLEEX 脚底安装有密布的压力开关传感器，通过检测所有传 感器的闭合状态实现对步态的检测，该方法可检测四种步态：站立相、摆动相、
脚跟着地、脚趾离地。因此，课题组在力传感器的基础上，又在脚底集成了压力 开关，脚底的传感器布置如图 4.5，脚跟及脚趾处分别布置了压敏电阻和压力开 关。
(a) 多传感器鞋底结构图 (b) 多传感器鞋底样机 图 4.5 下肢外骨骼脚底设计
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