宋 鵬，莫新民，鄧亞萍，王 晶，韋祖拔

(西北機電工程研究所,陜西 咸陽 712099)

目前中大口徑火炮的彈丸質量和尺寸都比較大，人工裝填困難，如何在確保安全的前提下，快速完成炮彈裝填已成為難題[1]。外骨骼是一種將人的智力與機器體力完美結合的高端智能裝備，可為士兵提供助力，讓炮兵更加輕松、快速地完成炮彈搬運和裝填的任務。炮兵穿戴外骨骼后不但能代替穿戴者本身承擔武器裝備和炮彈的質量，還可以減少士兵正常行走時的體力消耗，這將顯著增強炮兵作戰(zhàn)的機動性和耐久性[2-3]。盡可能發(fā)揮外骨骼的作用，而不至于成為士兵的“累贅”，這就要求其運動跟隨性能要好，即能夠及時跟隨穿戴它的士兵。足底傳感系統(tǒng)是外骨骼運動意圖識別最為關鍵的部分之一。筆者使用薄膜式壓力傳感器設計了一種外骨骼足底傳感系統(tǒng)，并提出了基于比例歸一化閾值的步態(tài)識別方法。

1 足底傳感系統(tǒng)設計

足底傳感系統(tǒng)是基于比例歸一化閾值步態(tài)識別方法的硬件基礎。它主要由傳感鞋和信號轉接板組成，它可以將足底所需部位受到的壓力信號轉換為可供采集的電壓信號。

1.1 傳感鞋設計

在測足底壓力時，一般方法是選用測力鞋墊，所測壓力數據易受溫度影響，故無法連續(xù)測量足底壓力，而且測力鞋墊處于足與鞋之間，諸多干擾因素嚴重影響到了測量數據的有效性[4-7]。因此，筆者選用了薄膜式壓力傳感器安裝至鞋底的方式進行足底壓力測量實驗。

根據上述分析，選用Tekscan公司生產的A401薄膜式壓力傳感器，如圖1所示。該傳感器柔韌性好，能夠測量相對力的變化和力變化的速率，可用于足底壓力測試。

在傳感器安裝布局上，考慮到人在靜止站立時或行走過程中足底壓力不是平均分布在足底的，壓力主要分布在足前部和足后部，內足弓基本沒有受力，本實驗將壓力傳感器安裝在鞋底，不考慮內外足弓的壓力變化。在實驗的鞋底安裝分區(qū)板，A401壓力傳感器布置在分區(qū)板的區(qū)域內，然后粘貼一層耐磨橡膠墊，形成硬質分區(qū)板、壓力傳感器、耐磨橡膠墊3層結構。A401薄膜式壓力傳感器在對應分區(qū)板上的位置如圖2所示。

1.2 信號轉接板設計

信號轉接板采用運算放大器隔離放大，使用參考電壓UT=0.5 V激勵薄膜式壓力傳感器。整個電路由1個放大器和1個減法器組成，如圖3所示。其中放大器用于將薄膜式壓力傳感器小電流信號放大為電壓信號，減法器用于電壓信號的偏移和比例調節(jié)，使輸出電壓信號范圍在0～5 V之間，保證信號的完整性。另外采用兩級運放串聯的電路設計方式，對于改善阻抗干擾有較好的作用。電路輸出電壓大小與傳感器阻值Rs關系如式(1)所示。

(1)

由于信號轉接板輸出電壓值和傳感器表面所受壓力成線性關系，線性誤差小于3%，并且信號響應時間小于5 μs，因此在外骨骼設備中可提供更流暢的步態(tài)[8]。

2 數據采集與分析

對數據的采集和分析是基于比例歸一化閾值步態(tài)識別方法的前提。NI cRIO-9030是一種嵌入式的CompactRIO控制器，帶實時處理器和可重配置FPGA。NI cRIO-9030可將足底傳感系統(tǒng)采集到的壓力數據傳至上位機，實驗采樣頻率為100 Hz。在上位機LabVIEW軟件中即可得到實時的足底壓力數據，并可將采集到的數據保存為TDMS文件。

左右足底薄膜式壓力傳感器的電路結構、參數均相同。采集到的其中兩個步態(tài)2.6 s內足底各分區(qū)板典型壓力數據如圖4所示。由圖4可以看出人體行走足底壓力信號是周期性的。足尖部和足根部壓力較小，單只足底的壓力在支撐期呈雙凸形分布。

以左足為例，將各分區(qū)板上傳感器壓力數據取平均值后歸一化的曲線如圖5所示，其中分區(qū)板分別從足前部至后部稱為分區(qū)板1至分區(qū)板5。由圖5分析知人體平地行走時足底壓力總是沿足后部至足前部壓力依次達到最大值進行的。這也是筆者提出基于比例歸一化閾值的步態(tài)識別方法的基本依據。

3 步態(tài)識別方法

通常來說步態(tài)識別指的是步態(tài)時相的識別。步態(tài)時相又稱為步態(tài)相位，是對人體行走一個周期的詳細劃分。步態(tài)時相的正確識別對于外骨骼穩(wěn)定和實時控制有重要意義。

3.1 基于雙閾值的步態(tài)識別方法

目前，基于雙閾值的時相識別方法(直接閾值法)是最為簡單、普遍的一種實時步態(tài)時相判定方法，一般分別在兩只足底前后各安裝一個壓力傳感器即可[9-10]。由于本實驗鞋底分區(qū)板1和分區(qū)板2上傳感器處于鞋底的前后邊緣處，所測壓力過小。在選擇閾值時難以將干擾壓力信號區(qū)分開，因此將其舍棄。可將足底分區(qū)板2和分區(qū)板3上的傳感器的壓力求和作為前腳掌壓力，將分區(qū)板4的壓力求和作為后腳掌壓力。選取合適的壓力值ON(1.2 V)和OFF(0.7 V)分別作為閾值判別前足或者后足是否與地面接觸。

規(guī)定壓力傳感器上壓力大于ON閾值則設為1，小于OFF閾值則為0，判定條件呈施密特觸發(fā)特性，從而求得足底前部和后部壓力分布曲線與對應足底狀態(tài)，如圖6所示。直接閾值法不僅可以防止足在擺動時足背屈等導致傳感器壓力變化所產生的誤判，還可以避免足與地面接觸時所測壓力在某個壓力值附近振蕩造成的識別紊亂。

將雙腳4個等效壓力值通過雙閾值判定后得到4位二進制數，用8421碼表示，對應16種時相，如表1所示。

表1 基于足底力識別輸出與時相對應

在實際測試和分析中發(fā)現基于雙閾值的時相識別方法主要存在以下幾個問題：

1)同測試者因負重變化,或不同測試者因體重改變而使設定的經驗閾值無法準確地判定步態(tài)時相。

2)足底壓力傳感器若要保證提高閾值減少毛刺干擾，需在安裝位置上避開鞋底兩端的壓力不敏感區(qū)。這將導致判定足底時相時存在滯后現象。

3)即使足底壓力傳感器安裝在鞋底兩端并減少了干擾因素影響，但仍有可能導致判定的時相不連續(xù)(如同側足底壓力由正常的后足-前足轉變?yōu)楹笞?無壓力-前足)。

3.2 基于比例歸一化閾值的步態(tài)識別方法

針對雙閾值時相識別方法在實際測試中的問題，筆者提出了基于比例歸一化閾值的時相識別方法。

比例歸一化方法為

(2)

足前部和足后部的壓力等效值為

(3)

該方法的算法流程圖如圖7所示。其中平均壓力值可以有效避免足底左右側壓力分布不均勻的影響；比例歸一化可以降低穿戴者負重不同和干擾信號的影響；等效壓力值可以使得單側足底前后壓力值的連貫性更強。

選取不同比例值對同一個步態(tài)數據進行步態(tài)識別，其中曲線a:k1=k2=k3=k4=1，k5=0;曲線b:

k1=0，k2=k3=k4=k5=1;曲線c:k1=k5=0.5，k2=1,k3=k4=0.8，識別結果如圖8所示?？梢钥闯鲈陂撝挡蛔兊那闆r下，僅改變比例值即可控制和改變時相識別結果。

為減少平地行走情況下腳跟著地和腳尖離地的識別時間，選取k1=0.5，k2=k3=k4=1，k5=0.8進行時相識別；同時根據步態(tài)時相的劃分標準和實驗采樣數據進行人工判別理想步態(tài)時相，如圖9所示?？梢钥闯霰壤龤w一化方法能夠較好地跟蹤理想步態(tài)時相。

3.3 兩種步態(tài)識別方法對比

比例歸一化閾值法和直接閾值法對同一個步態(tài)采樣數據的時相識別結果如圖10所示。從中可以看出比例歸一化閾值法較直接閾值法減少了30～60 ms左右的識別時間，識別的結果更接近于實際情況。識別結果對比發(fā)現改進的識別算法在單足支撐相(時相值3、12)變短、雙足支撐相 (時相值6、9) 變長，使得外骨骼穩(wěn)定性增強。

4 結束語

為提高外骨骼的運動跟隨能力，設計了一種基于薄膜式壓力傳感器的外骨骼足底傳感系統(tǒng)，并完成了平地行走的足底壓力數據采集。采用足底傳感系統(tǒng)采集，并解算出足底壓力信號，提出了一種基于比例歸一化閾值的步態(tài)識別方法。使用測試數據對基于雙閾值的步態(tài)識別算法和基于比例歸一化閾值的步態(tài)識別算法進行了比較和分析，發(fā)現后者的步態(tài)識別結果較好，與直接閾值法相比，通過靈活選取比例值和歸一化的思路使得算法魯棒性更好、適用面更廣、對不同人及不同負載下的適應能力更強，甚至可以提高算法識別的靈敏度。本文對外骨骼傳感系統(tǒng)設計和步態(tài)識別研究有一定的指導作用，為炮兵穿戴外骨骼后搬運、裝填炮彈，達到人機耦合的目的提供了理論參考。

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