帶觸滑覺傳感器的多功能助老助行機器人的製作方法
2023-05-12 03:46:56 2
專利名稱：帶觸滑覺傳感器的多功能助老助行機器人的製作方法
技術領域：
本發明屬於智慧機器人研究技術領域，具體涉及一種帶觸滑覺傳感器的多功能助老助行機器人。
背景技術：
隨著社會的進步與發展，老年人的生活質量越來越受到人們的關注，相繼出現了各種疾病護理與康複方面的輔助器械。其中，助老助行機器人作為一種理想的輔助工具，市場需求量大，具有較高的研究價值。發明一種能夠捕捉老年人運動行為的方法對於助老助行機器人而言至關重要。它是使用者與助行機器人主體之間的橋梁，能夠感知老年人的各種運動行為。因此，如能提供一種捕捉老年人運動行為的方法來感知老年人的運動意向及摔倒趨勢，為老年人提供諸如出行、護理和醫療康復等方面的服務，可以大大提高老年人的生活質量。老年人在使用各種助行機器人的過程中要不斷地與機器人溝通，人機接口的靈活、簡便易用是助行機器人高效運行的基礎。作為人機交流的通道，觸滑覺是整個移動系統感知使用者意圖的媒介，能夠真實方便地反應使用者的意圖。大部分助行機器人都是通過視覺來判斷老年人狀態的。但是通過視覺技術機器人無法快速準確地跟隨老年人，並對老年人進行扶持，而且這種方法成本太高；相反，觸滑覺技術則能通過力的傳感和滑動趨勢來提供老年人運動行為的信息，而且由於不需要很複雜的設備而價格較低，只有少量的信息需要傳遞和處理而效率很高。目前，利用觸滑覺來進行相對運動檢測和行走意圖識別的並不多，在助行器具上還未見報導。而現有技術中助行機器人都是通過視覺來判斷老年人狀態和行為採集和處理的數據比較大，無法快速準確的判斷使用者的行為和狀態，所以使用時經常會產生判斷失誤或延遲，這有可能損傷使用者，沒有達到助行機器人助行助老的基本目的。本發明因此而來。
發明內容本發明目的在於提供一種帶觸滑覺傳感器的多功能助老助行機器人，解決了現有技術中助行機器人經常會產生判斷失誤或延遲給使用者帶來損傷或不能達到助行助老的目的等缺陷。為了解決現有技術中的這些問題，本發明提供的技術方案是—種帶觸滑覺傳感器的多功能助老助行機器人，包括機器人扶手杆、機器人座椅和控制機器人行走的機器人控制器，其特徵在於所述機器人扶手杆上設置與使用者接觸的觸滑覺傳感器，所述觸滑覺傳感器通過信號調理電路與機器人控制器連接，所述機器人控制器根據觸滑覺傳感器採集的傳感器信號對使用者的行為或狀態進行判斷，並驅使機器人產生輔助行為；所述機器人座椅上設置操作杆，所述操作杆與機器人控制器連接接受使用者操作操作杆的操作指令。[0008]優選的，所述機器人包括機器人支架，所述機器人座椅架設在機器人支架上，所述機器人座椅設置有兩支撐臂，所述操作杆固定在支撐臂上。優選的，所述機器人支架下端設置驅動輪和萬向輪，所述機器人控制器與安裝在驅動輪上的驅動電機連接控制驅動輪；所述驅動輪帶動萬向輪轉動。優選的，所述機器人扶手杆上端設置觸滑覺傳感器座，所述觸滑覺傳感器安裝在觸滑覺傳感器座上。優選的，所述機器人扶手杆兩端銷接扶手調節杆；所述機器人支架上銷接安裝有扶手支撐杆，所述扶手調節杆與扶手支撐杆插接。優選的，所述觸滑覺傳感器為設置在觸滑覺傳感器座上的具有6層結構的PVDF壓電薄膜傳感器，從外而內依次設置表皮層、兩銀電極層、PVDF層、聚酯基片層和安裝層；所述兩銀電極層錯開引出輸出端與信號調理電路電連接，所述傳感器通過安裝層與觸滑覺傳感器座連接固定。優選的，所述機器人扶手杆上設置兩觸滑覺傳感器座，每個觸滑覺傳感器座上設置三路觸滑覺傳感器，各路觸滑覺傳感器的輸出端分別與各自的信號調理電路連接，並與機器人控制器連接。優選的，所述機器人控制器外側設置固定在機器人支架上的電池座，所述電池座提供機器人控制器電力，所述機器人控制器包括微處理器、模數轉換器，所述模數轉換器為 DSP晶片TMS320F2812的模數轉換(ADC)，與信號調理電路連接，負責處理觸滑覺傳感器採集的傳感器信號，轉換成數位訊號，提供給微處理器分析處理；所述微處理器與模數轉換器通訊接受模數轉換器提供的數位訊號，對數位訊號進行處理，判斷使用者的行為或狀態並傳輸指令給機器人提供輔助行為。優選的，所述微處理器還接受操作杆傳輸的操作指令，所述微處理器為採用DSP 晶片TMS320F2812，所述模數轉換器採用DSP晶片TMS320F2812的模數轉換(ADC)。優選的，所述信號調理電路包括電荷轉換模塊、低通濾波模塊、工頻陷波模塊、放大模塊以及抑制串擾模塊；所述電荷轉換模塊將傳感器採集的電荷量信號轉變為電壓量； 所述低通濾波模塊用於濾除信號源中的高頻雜波；所述工頻陷波模塊用於消除輸出信號中有工頻幹擾；所述放大模塊放大傳感器信號的波形；所述抑制串擾模塊使用同相加法運算電路濾除多通道間的相互幹擾後，將信號輸出給機器人控制器。本發明的多功能助老助行機器人，包括機器人扶手杆、機器人座椅上的操作杆、機器人座椅、機器人支架、支架下部的驅動輪和萬向輪、支架上設置的電池座、機器人控制器以及機器人扶手支撐杆、扶手調節杆和觸滑覺傳感器座，所述機器人扶手杆設置與使用者接觸的觸滑覺傳感器，所述觸滑覺傳感器通過信號調理電路與機器人控制器連接，所述機器人控制器採集觸滑覺傳感器的傳感器信號，根據傳感器信號對使用者的行為或狀態進行判斷，並產生輔助行為。當老年人行走時間過長或行走不便時，可以坐在座椅上通過操作杆作為助行機器人的人機接口部分，表達使用者的操縱意圖並顯示各種信息。具體的，本發明機器人由驅動輪、機器人控制器、電池座、扶手調節杆、扶手支撐杆、觸滑覺傳感器座、觸滑覺傳感器、機器人扶手杆、操作杆、機器人座椅、機器人支架、萬向輪、2個直流無刷電機組成。通過觸滑覺傳感器和機器人控制器連接，通過觸滑覺感知和捕捉老年人運動行為(主要包括運動意圖和行走狀態)，得到一種低成本、高性能、高柔性、
5高可靠性的助老助行方法，可以有效的實現老年人的運動意向及摔倒趨勢的實時檢測和輔助功能。當老年人長時間行走感到疲乏或行走不便時，可以坐在座椅上通過控制操縱杆，表達操作意圖，實現對助行機器人行駛速度和方向的控制，並可以顯示助行機器人的電池電量和故障信息、報警、設置參數、存儲數據、串行通信等。助行機器人控制系統通過以上各個模塊的相互作用，實現助老助行機器人的各項功能。本發明基於使用者意圖沒有一個直接的反饋通道，通過觸滑覺可以正確的體現使用者的意圖，通過捕捉使用者特別是老年人的觸滑覺，可以捕捉和判斷使用者如老年人的運動行為。本發明借鑑生理運動學的研究成果，實現對老年人運動行為的捕捉，使得老年人出行方便，安全。本發明的觸滑覺傳感器為集觸覺、滑覺為一體的傳感器，觸覺、滑覺可共享同一個信號源。為了在同一信號中分離出觸覺和滑覺信號，可以分別對各路傳感器觸滑覺信號多維特徵進行了表示。當使用六路傳感器時，各路傳感器觸滑覺信號多維特徵如下觸滑覺信號的最大值max = MaX(Xi)；觸滑覺信號的最小值min = Min (Xi)；觸滑覺信號的均值
mean = Τ7Σ^·觸滑覺信號的方差^D =去￡( -mean)2
7V /-ο .jy i^oo設特徵向量X = [Xl
、叉2、叉3、叉4、......叉21、叉22、叉23、^24 ]，其中，X1 X4為左手1號傳
感器觸滑覺信號的最大值、最小值、均值、方差;Χ5 X8為左手2號傳感器觸滑覺信號的最大值、最小值、均值、方差^9 X12為左手5號傳感器觸滑覺信號的最大值、最小值、均值、方差；X13 X16為右手3號傳感器觸滑覺信號的最大值、最小值、均值、方差；X17 為右手 4號傳感器觸滑覺信號的最大值、最小值、均值、方差；X21 為右手6號傳感器觸滑覺信號的最大值、最小值、均值、方差；該特徵向量X可以表示出各路傳感器觸滑覺信號的多維特徵，可以作為特徵提取的一種方法。通過特徵提取數據分析，得知觸覺信號有單一較高峰值，而且幅度要大於滑覺信號，可以選擇一定長度信號的均值作為觸覺的特徵值。滑覺信號是在單位時間內有多個幅值較小的峰值，因此選擇一定長度信號的方差作為滑覺的特徵值。通過大量實驗獲得人手控制小車前進，後退，左轉，右轉四個模式下各路傳感器的時域均值和方差的閾值，採用閾值法來判斷觸覺、滑覺的生成。即當觸覺特徵值大於實驗得到的閾值時，表明觸覺產生；當滑覺特徵值大於實驗得到的閾值時，表明滑覺產生。閾值可以在機器人內部預先設置，機器人通過閾值與傳感器採集的特徵值比較進行模式識別。觸滑覺的檢測作為老年人基本意圖的識別媒介，如前進、後退、左轉、右轉；也作為老年人摔倒意向檢測，進行防摔。本發明通過觸滑覺傳感器和機器人控制器連接，通過觸滑覺感知和捕捉老年人運動行為(主要包括運動意圖和行走狀態)，得到一種低成本、高性能、高柔性、高可靠性的助行助老方法，可以有效的實現老年人的運動意向及摔倒趨勢的實時檢測和輔助功能。本發明技術方案構建了相應的高速採集和傳輸處理系統，可以實時獲取有關老年人觸滑覺信肩、ο具體的，在老年人外出行走的時候，採用雙臂扶在助行機器人上的方式，當老年人的前進速度加快或變慢的時候，前臂與助行機器人之間會產生相應的摩擦力。根據這一現象，在機器人的扶助端與前臂接觸的地方加觸滑覺傳感器陣列，檢測前臂與機器人的相對運動趨勢，判斷老年人與機器人之間的動態關係，進而對機器人的速度進行調節，實現助行機器人對老年人的跟隨作用。本發明的觸滑覺傳感器，採用敏感材料PVDF壓電薄膜製作，主要是由6層結構組成，包括橡膠包封表皮，兩層銀電極層，PVDF層，聚酯基片，不同粘性的雙面膠帶。該觸滑覺傳感器可以正確而及時地檢測到老年人的運動意向和狀態，作為使用者基本意圖的識別媒介，如前進、後退、左轉、右轉；能夠檢測到老年人的摔倒意向，並與普通的速度變化進行區分，使老年人不易摔倒；並且安裝方便。針對觸滑覺傳感器輸出信號是動態的電荷信號的特點，本發明設計開發了信號調理電路。此外為了實現高速同步數據採集，採用DSP晶片TMS320F2812實現對觸滑覺傳感器陣列數據的實時採集處理，通過USB2.0總線將數據傳到上位機，在上位機上開發了基於 VC++的高速觸滑覺信號分析系統，進行感知老年人運動意圖和狀態，能夠滿足機器人的實時性要求。通過觸滑覺上位機分析系統對數據採集部分得到的信號進行數字濾波、數據處理、數據存儲、數據分析等，完成對採集到的多通道觸滑覺信號實時顯示，並對觸滑覺信號的多維特徵進行表示，進行特徵提取和模式識別。相對於現有技術中的方案，本發明的優點是經機器人仿真系統證實，本發明的機器人可以實時捕捉具有觸滑覺感知老年人運動行為(主要包括運動意圖和行走狀態)，通過其感知用觸滑覺傳感器能夠實現老年人的運動意向及摔倒趨勢的實時檢測，並且能夠有助於助老助行機器人相關技術的開發與實現。本發明通過仿真系統與ART的USB5935數據採集卡系統進行比較後得到了一致的結果， 說明此系統的正確性和可行性；並且由於DSP方便做成便攜系統，且成本較採集卡低很多， 方便以後仿真系統的集成和二次開發。
以下結合附圖及實施例對本發明作進一步描述
圖1為本發明帶觸滑覺傳感器的多功能助老助行機器人的左視圖；圖2為本發明帶觸滑覺傳感器的多功能助老助行機器人的俯視圖；圖3為本發明帶觸滑覺傳感器的多功能助老助行機器人的控制模塊圖；圖4為本發明觸滑覺傳感器調理電路原理框圖；圖5為本發明仿真系統的系統結構連接圖；圖6為本發明觸滑覺分析系統軟體框架結構圖；其中1為機器人扶手杆；2為機器人座椅；3為機器人控制器；4為機器人支架；5 為驅動輪；6為萬向輪；11為觸滑覺傳感器座；12為扶手調節杆；13為扶手支撐杆。
具體實施方式
以下結合具體實施例對上述方案做進一步說明。應理解，這些實施例是用於說明本發明而不限於限制本發明的範圍。實施例中採用的實施條件可以根據具體廠家的條件做進一步調整，未註明的實施條件通常為常規實驗中的條件。實施例如
圖1 4所示，該帶觸滑覺傳感器的多功能助老助行機器人，包括機器人扶手杆1、機器人座椅2和控制機器人行走的機器人控制器3，所述機器人扶手杆1上設置與使用者接觸的觸滑覺傳感器，所述觸滑覺傳感器通過信號調理電路與機器人控制器3連
7接，所述機器人控制器3根據觸滑覺傳感器採集的傳感器信號對使用者的行為或狀態進行判斷，並驅使機器人產生輔助行為；所述機器人座椅2上設置操作杆，所述操作杆與機器人控制器3連接接受使用者操作操作杆21的操作指令。機器人包括機器人支架4，所述機器人座椅2架設在機器人支架4上，所述機器人座椅2設置有兩支撐臂，所述操作杆固定在支撐臂上。所述機器人支架4下端設置驅動輪 5和萬向輪6，所述機器人控制器3與安裝在驅動輪上的驅動電機連接控制驅動輪；所述驅動輪帶動萬向輪轉動。機器人扶手杆1上端設置觸滑覺傳感器座11，所述觸滑覺傳感器安裝在觸滑覺傳感器座11上。所述機器人扶手杆1兩端銷接扶手調節杆12 ；所述機器人支架4上銷接安裝有扶手支撐杆13，所述扶手調節杆12與扶手支撐杆13插接。觸滑覺傳感器為設置在觸滑覺傳感器座11上的具有6層結構的PVDF壓電薄膜傳感器，從外而內依次設置表皮層、兩銀電極層、PVDF層、聚酯基片層和安裝層；所述兩銀電極層錯開引出輸出端與信號調理電路連接，所述傳感器通過安裝層與觸滑覺傳感器座11 連接固定。所述機器人扶手杆上設置兩觸滑覺傳感器座11，每個觸滑覺傳感器座11上設置三路觸滑覺傳感器，各路觸滑覺傳感器的輸出端分別與各自的信號調理電路連接，並與機器人控制器連接。觸滑覺傳感器採用敏感材料PVDF壓電薄膜製作，主要是由6層結構組成，包括最外層是橡膠包封表皮，使得感知觸滑覺信號更加明顯，並且可以作為保護層防止裸露在外面的電極被損壞。第二、三層是兩層銀電極層，電極採用絲網漏印的方法，在PVDF上下兩層電極面引出錯開。第四層是PVDF層，厚度為50 μ m。聚偏二氟乙烯(PVDF)是一種新型的高分子聚合物型傳感材料，該種PVDF是迄今為止發現的壓電性最好的有機高分子材料， 它具有質地柔軟、極薄、質輕、靈敏度高、響應快、測量範圍大、化學穩定性高等諸多優點，所以，與微電子技術相結合，可以製成多功能傳感元件，使其成為廣泛推廣的一種新型智能材料。選擇這種PVDF作為助老助行機器人的觸滑覺傳感材料是最合適的，因為它同時具有壓電和熱電效應。我們之所以能通過觸摸感覺到物體的形狀、質感及溫度等，據研究就是因為人的皮膚能夠產生壓電效應和熱電效應。第五層是聚酯基片作為保護層，以防止表面電極被損壞。第六層是不同粘性的雙面膠帶，為了方便安裝，選擇厚度為0. 05mm的兩面不同粘性的雙面膠帶，一面永久固定，一面適合重新定位的需求。傳感器表層為橡膠包封表皮保護層，上層為上下表面鍍有銀電極層的PVDF薄膜，下層為聚酯基片保護層，使用壓接端子壓接將PVDF正負兩極引出。使用絕緣膠將PVDF薄膜與橡膠包封表皮、聚酯基片粘在一起。機器人控制器外側設置固定在機器人支架上的電池座，所述電池座提供機器人控制器電力，所述機器人控制器包括微處理器、模數轉換器，所述模數轉換器為DSP晶片 TMS320F2812內部的模數轉換(ADC)，與信號調理電路連接，負責處理觸滑覺傳感器採集的傳感器信號，轉換成數位訊號，提供給微處理器分析處理；所述微處理器與模數轉換器通訊接受模數轉換器提供的數位訊號，對數位訊號進行處理，判斷使用者的行為或狀態並傳輸指令給機器人提供輔助行為。所述微處理器還接受操作杆傳輸的操作指令，所述微處理器為採用DSP晶片TMS320M812。信號調理電路包括電荷轉換模塊、低通濾波模塊、工頻陷波模塊、放大模塊以及抑制串擾模塊；所述電荷轉換模塊將傳感器採集的電荷量信號轉變為電壓量；所述低通濾波模塊用於濾除信號源中的高頻雜波；所述工頻陷波模塊用於消除輸出信號中有工頻幹擾；所述放大模塊放大傳感器信號的波形；所述抑制串擾模塊使用同相加法運算電路濾除多通道間的相互幹擾後，將信號輸出給機器人控制器。如圖5所示，本發明通過仿真系統來證實其效果。6路傳感器輸出信號經信號預處理，送入DSP晶片TMS320F2812的模數轉換(ADC)完成多路數據的採集及A/D轉換，實現對觸滑覺傳感器陣列數據的實時採集，再經DSP進行前端的數位訊號處理，通過USB總線將數據傳輸至上位機，並在上位機上進行數據存儲、顯示以及數據處理，然後將識別結果發送到電機控制器，電機控制器根據相應的指令完成對電機的相應控制。參照普通自行車把手直徑，扶手直徑大約在25-30mm左右，而傳感器尺寸為20 ★ 15 (mm)，因此選擇6路傳感器，左側扶手布置3路傳感器，右側扶手布置3路傳感器組成觸滑覺傳感器陣列。觸滑覺信號調理主要包括電荷轉換模塊、低通濾波模塊、工頻陷波模塊、放大模塊以及抑制串擾模塊。觸滑覺傳感器在外力作用下會產生電荷，故選用AD544作為Q/V轉換器，將電荷量轉變為相應的電壓量。由於手動作的觸滑覺信號頻率一般不會超過100HZ，故選用低通濾波器，用於濾除信號源中的高頻雜波。輸出信號中有明顯的工頻幹擾，再增加一級50HZ的陷波濾波器。由於選用DSP晶片觀12內部自帶的12位AD進行採集，AD採樣埠的最高採樣電壓是3V，所以要將採集的信號經過運放處理，使輸入電壓範圍在AD正常採樣範圍之內，並選用2個穩壓二極體IN4007限制輸出電壓在0 3V以內。因為懸空狀態會導致多通道採集時出現多通道之間串擾，故選用同相加法運算電路，加上一個直流分量就不會使各通道處於懸空狀態，這樣就可以濾除各通道間的相互幹擾。處理後的信號最後輸出到高速數據採集部分上。採用DSP晶片TMS32(^812內部AD實現對六路觸滑覺傳感器信號的實時採集處理。使用觀12的模數轉換模塊完成數據的採集及A/D轉換，轉換後的數據傳輸至高速USB 通訊晶片CY7C68013的FIFO高速緩存，通過USB數據總線將數據傳輸至上位機，並在上位機上進行數據存儲、顯示以及數據處理。本系統完全可以滿足觸滑覺信號採集處理對高精度及實時性的要求。由於採集的觸滑覺信號數據量較大，因此需要一種高速的數據傳輸方式，而USB2. 0總線傳輸速度快，能達到480Mb/s的速度，滿足數據傳輸的需要。使用DSP進行觸滑覺信號採集和處理，通過安裝於扶手的觸覺傳感器陣列，檢測到老年人與助行機器人之間的動態關係。根據已獲取的觸滑覺信號來建立助行機器人行走的運動模式，來實現老年人的運動意向如前進、後退、左轉、右轉等特徵的提取和識別。根據觸滑覺傳感器拾取的信號進行特徵提取和模式識別，將識別結果發送到DSP中，DSP根據相應的指令完成對電機的相應控制，從而實現助行機器人行走的運動模式。這種結構可以很好的解決信號處理和機器人控制並發處理的實時性的問題。根據觸滑覺分析仿真系統要求，預先設計一個觸滑覺上位機分析軟體，此軟體主要包括以下功能模塊實時數據分析顯示模塊；離線數據分析，報表輸出模塊；資料庫存儲模塊。實時數據分析顯示模塊將通過USB2. 0總線傳輸進來的16進位數進行轉換至實際所採集對應的電壓值，並進行零漂修正；並將每路傳感器所對應的電壓值存儲至MySQL資料庫；根據轉換後的每路電壓值，分別畫出其時域波形；分別計算六路採集來的IOM點數據的均值、最大值、最小值、方差，並將其顯示在所對應通道時域波形的下方。此外本軟體帶有數字低通濾波模塊，可設置是否進行數字濾波，並設置低通濾波頻率。軟體界面如圖6所
9不。資料庫存儲模塊使用MySQL資料庫保存六路傳感器信號所對應電壓值數據，為以後進行更詳細的數據分析和二次開發做準備，此資料庫包括六張表，分別保存六個通道的數據，表中數據以時間為主鍵；各通道數據以時間點為標誌保存入庫，同時依據時間點讀取。離線數據分析、報表輸出模塊通過瀏覽不同時間點的數據，模擬最終觸滑覺系統每採集一個數據，計算一次均值與方差的方式，對IOM點數據進行系統模擬，具體過程如下，首先計算256點數據均值與方差，然後移出第一點數據，移入第257點的數據，此時總共還是256點數據，計算這256點的均值和方差，依次類推計算完一組數據，模擬最終系統的操作過程，以求計算出較準確的均值和方差閾值，並將六路數據所有的計算結果以列表方式顯示，用以查看分析；根據分析，選擇合適的數組可以將數據輸出至TXT文檔，由MATLAB 進行二次分析，並可以將六組分析的結果以報表形式輸出，用以保存分析；此時使用不同的顏色同時在一個界面中顯示六路不同的波形，方便各個通道信號的比較，並將各路的最大值和其所對應的橫坐標列表顯示，方便選擇合適的閾值。然後切換到模式識別模塊，通過大量實驗得出觸覺特徵值和滑覺特徵值的閾值， 將得到的閾值輸入到編輯框中，進行模式識別。根據波形圖，判斷模式識別是否正確。1 6路傳感器每次計算256個點，假如IOM個點中，有一組256點的數據均值超過均值閾值， 它所對應的觸覺就顯示為紅色；要是方差超過閾值，滑覺就顯示為紅色。前進、後退，左轉、 右轉模式識別結果如下1號和4號傳感器的觸覺特徵值超過了閾值，顯示右轉模式；2號和3號傳感器的觸覺特徵值超過了閾值，顯示左轉模式1號和3號傳感器的觸覺特徵值超過了閾值，顯示前進模式；2號和4號的傳感器的觸覺特徵值超過了閾值，顯示後退模式。觸覺信號是在物體與傳感器接觸產生接觸力時，PVDF材料受力產生電荷，形成觸覺信號。滑覺信號是在物體與傳感器發生相對滑動時，物體表面與傳感器表面之間產生沿滑動方向的切向力，傳至PVDF材料，產生壓電效應。觸滑覺傳感器為集觸覺、滑覺為一體的傳感器，觸覺、滑覺可共享同一個信號源。為了在同一信號中分離出觸覺和滑覺信號，可以分別對各路傳感器觸滑覺信號多維特徵進行了表示。當使用六路傳感器時，各路傳感器觸滑覺信號多維特徵如下觸滑覺信號的最大值max = MaX(Xi)；觸滑覺信號的最小值min = Min(Xi)；觸滑覺信號的均值
mean 二〒Σ 觸滑覺信號的方差STDiY>「meanf
iy /二0 · 1=0
9O設特徵向量X= [X1
、叉2、叉3、叉4、......叉21、叉22、叉23、^24 ]，其中，X1 X4為左手1號傳
感器觸滑覺信號的最大值、最小值、均值、方差;Χ5 X8為左手2號傳感器觸滑覺信號的最大值、最小值、均值、方差^9 X12為左手5號傳感器觸滑覺信號的最大值、最小值、均值、方差；X13 X16為右手3號傳感器觸滑覺信號的最大值、最小值、均值、方差；X17 為右手 4號傳感器觸滑覺信號的最大值、最小值、均值、方差；X21 為右手6號傳感器觸滑覺信號的最大值、最小值、均值、方差；該特徵向量X可以表示出各路傳感器觸滑覺信號的多維特徵，可以作為特徵提取的一種方法。通過特徵提取數據分析，得知觸覺信號有單一較高峰值，而且幅度要大於滑覺信號，可以選擇一定長度信號的均值作為觸覺的特徵值。滑覺信號是在單位時間內有多個幅
10值較小的峰值，因此選擇一定長度信號的方差作為滑覺的特徵值。通過大量實驗獲得人手控制小車前進，後退，左轉，右轉四個模式下各路傳感器的時域均值和方差的閾值，採用閾值法來判斷觸覺、滑覺的生成。即當觸覺特徵值大於實驗得到的閾值時，表明觸覺產生；當滑覺特徵值大於實驗得到的閾值時，表明滑覺產生。通過實驗得出均值和方差的閾值，將得到的閾值輸入到上位機軟體中進行模式識別。觸滑覺的檢測作為老年人基本意圖的識別媒介，如前進、後退、左轉、右轉；也作為老年人摔倒意向檢測，進行防摔。上述實例只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在於讓熟悉此項技術的人是能夠了解本發明的內容並據以實施，並不能以此限制本發明的保護範圍。凡根據本發明精神實質所做的等效變換或修飾，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。
權利要求1.一種帶觸滑覺傳感器的多功能助老助行機器人，包括機器人扶手杆(1)、機器人座椅(2)和控制機器人行走的機器人控制器(3)，其特徵在於所述機器人扶手杆(1)上設置與使用者接觸的觸滑覺傳感器，所述觸滑覺傳感器通過信號調理電路與機器人控制器(3)連接，所述機器人控制器( 根據觸滑覺傳感器採集的傳感器信號對使用者的行為或狀態進行判斷，並驅使機器人產生輔助行為；所述機器人座椅(2)上設置操作杆，所述操作杆與機器人控制器(3)連接接受使用者操作操作杆的操作指令。
2.根據權利要求1所述的帶觸滑覺傳感器的多功能助老助行機器人，其特徵在於所述機器人包括機器人支架G)，所述機器人座椅( 架設在機器人支架(4)上，所述機器人座椅(2)設置有兩支撐臂，所述操作杆固定在支撐臂上。
3.根據權利要求2所述的帶觸滑覺傳感器的多功能助老助行機器人，其特徵在於所述機器人支架(4)下端設置驅動輪(5)和萬向輪(6)，所述機器人控制器( 與安裝在驅動輪上的驅動電機連接控制驅動輪；所述驅動輪帶動萬向輪轉動。
4.根據權利要求2所述的帶觸滑覺傳感器的多功能助老助行機器人，其特徵在於所述機器人扶手杆(1)上端設置觸滑覺傳感器座(11)，所述觸滑覺傳感器安裝在觸滑覺傳感器座(11)上。
5.根據權利要求4所述的帶觸滑覺傳感器的多功能助老助行機器人，其特徵在於所述機器人扶手杆(1)兩端銷接扶手調節杆(1 ；所述機器人支架(4)上銷接安裝有扶手支撐杆(13)，所述扶手調節杆(1 與扶手支撐杆(1 插接。
6.根據權利要求4所述的帶觸滑覺傳感器的多功能助老助行機器人，其特徵在於所述觸滑覺傳感器為設置在觸滑覺傳感器座(11)上的具有6層結構的PVDF壓電薄膜傳感器， 從外而內依次設置表皮層、兩銀電極層、PVDF層、聚酯基片層和安裝層；所述兩銀電極層錯開引出輸出端與信號調理電路電連接，所述傳感器通過安裝層與觸滑覺傳感器座(11)連接固定。
7.根據權利要求4所述的帶觸滑覺傳感器的多功能助老助行機器人，其特徵在於所述機器人扶手杆上設置兩觸滑覺傳感器座(11)，每個觸滑覺傳感器座(11)上設置三路觸滑覺傳感器，各路觸滑覺傳感器的輸出端分別與各自的信號調理電路連接，並與機器人控制器連接。
8.根據權利要求1所述的帶觸滑覺傳感器的多功能助老助行機器人，其特徵在於所述機器人控制器外側設置固定在機器人支架上的電池座，所述電池座提供機器人控制器電力，所述機器人控制器包括微處理器、模數轉換器，所述模數轉換器為DSP晶片 TMS320F2812內部的模數轉換(ADC)，與信號調理電路連接，負責處理觸滑覺傳感器採集的傳感器信號，轉換成數位訊號，提供給微處理器分析處理；所述微處理器與模數轉換器通訊接受模數轉換器提供的數位訊號，對數位訊號進行處理，判斷使用者的行為或狀態並傳輸指令給機器人提供輔助行為。
9.根據權利要求8所述的帶觸滑覺傳感器的多功能助老助行機器人，其特徵在於所述微處理器還接受操作杆傳輸的操作指令，所述微處理器為採用DSP晶片TMS320F2812。
10.根據權利要求1所述的帶觸滑覺傳感器的多功能助老助行機器人，其特徵在於所述信號調理電路包括電荷轉換模塊、低通濾波模塊、工頻陷波模塊、放大模塊以及抑制串擾模塊；所述電荷轉換模塊將傳感器採集的電荷量信號轉變為電壓量；所述低通濾波模塊用於濾除信號源中的高頻雜波；所述工頻陷波模塊用於消除輸出信號中有工頻幹擾·，所述放大模塊放大傳感器信號的波形；所述抑制串擾模塊使用同相加法運算電路濾除多通道間的相互幹擾後，將信號輸出給機器人控制器。
專利摘要本實用新型公開了一種帶觸滑覺傳感器的多功能助老助行機器人，包括機器人扶手杆(1)、機器人座椅(2)和控制機器人行走的機器人控制器(3)，其特徵在於所述機器人扶手杆(1)上設置與使用者接觸的觸滑覺傳感器，所述觸滑覺傳感器通過信號調理電路與機器人控制器(3)連接，所述機器人控制器(3)根據觸滑覺傳感器採集的傳感器信號對使用者的行為或狀態進行判斷，並驅使機器人產生輔助行為；所述機器人座椅(2)上設置操作杆，所述操作杆與機器人控制器(3)連接接受使用者操作操作杆的操作指令。該機器人可以實時捕捉具有觸滑覺感知老年人運動行為，通過其感知用觸滑覺傳感器能夠實現老年人的運動意向及摔倒趨勢的實時檢測，實現多重輔助功能。
文檔編號A61G5/04GK202015325SQ201020670370
公開日2011年10月26日 申請日期2010年12月21日 優先權日2010年12月21日
發明者張小棟, 張進進, 李 浩, 李耀楠, 王雲霞, 陳迪劍, 魏曉娟 申請人:西安交通大學蘇州研究院