下肢康复训练机器人的数据采集系统设计

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文章编号:1008-0570(2009)03-2-00261-03

机器人技术

下肢康复训练机器人的数据采集系统设计

Designofdata-collectedsystemaboutlowerlimbrehabilitationtrainingrobot

（哈尔滨工程大学）

张博刘天孚

ZHANGBoLIUTian-fu

摘要:本文结合实际需求,了解下肢康复患者在康复过程中的恢复情况,对患者的足底力进行测量和分析,对自行设计的压力

传感器进行数据采集。通过采用Soc(SystemOnChip,片上系统)芯片,设计具有高稳定性、高精度的硬件电路进行数据采集,并将采集到的数据传给PC机,进行数据分析。经实验证明,这些电路抗干扰能力强、实时性好,其数据精度完全满足控制系统要求。

关键词:数据采集;足底力;压力传感器;控制系统

文献标识码:B中图分类号:TP274.2

Abstract:Thispaperproposedtounderstandlowerlimbrehabilitativepatientsinrehabilitationprocesswithmeasuringfootapplied

forceandcollectingthedataofmomentpressedonthebladesbythesensordesignedbyourselves.ByadoptiontheSoc(SystemOnChip)anddesigningthehardwarecircuitofhigherstabilityandhigherprecisioncollectsthedata,andtransmitthedatatocomputer,andthenanalysesthedata.Thetestprovesthesystemhashighercheckingprecisionandhasstrongerabilityofresistanceinterruptandthewellrealtime.Thedesignhassatisfiedtherequestofthecontrolsystem.Keywords:data-collected;footappliedforce;forcesensor;controlsystem

引言

近年来，随着医学、机械学、传感技术、生物医学、智能控制技术、计算机图形学、计算机视觉、机器人及其他新兴技术的迅速发展，给生物医学工程领域的医用机器人技术带来了高速发展的契机，促进了医用领域的设备自动化和机器人化。医疗机器人技术是集诸多学科为一体的新型交叉研究领域，已经成为国际机器人领域的一个研究热点。下肢康复训练机器人即采用机器人技术辅助行走功能障碍者进行康复训练，使患者恢复正康复机器人的步态控常行走的功能。为达到康复训练的目的，

制和姿态都需要能实时检测一些必要的运动及力学参数，而足底力（即步行训练中患者对机器的作用力）是反映步态支撑和稳定情况最直接的生物力学参数。

通常，足底力可以采用3种测量方法：（1）测力平台；（2）测力鞋垫；（3）六维力/力矩传感器。针对动力脚踏板式步态康复训练机器人，提出一种基于双变形梁的力传感器足底力检测方法。其中应变片1～2、分别与数据采集板的对应3～4、5～6、7～8，的精敏电阻组成半桥双臂惠斯登电桥(WheatstoneBridge)。

技

术创新

2硬件电路设计

本系统采用SiliconLaboratories公司出品的C8051F021单

数据存储以及及时将采片机，完成弯扭应变信号的数据采集、集的数据经过485总线采用串口通讯方式传给PC机。SiliconLaboratories公司出品的C8051F02X单片机,它是完全集成的混

合信号系统级MCU芯片,高速、流水线结构的8051兼容的

非侵入式的在系CIP251内核(最大速率可达到25MIPS),全速、

统调试接口(片内),两个12位DAC通道、9通道输入多路选择开关12位(8位)ADC和可编程增益放大器,最高转换速度为

100kps,两个UART串行接口,5个通用的16位定时器和温度传感器。在该系统中,使用MAXIM公司生产的A/D转换芯片MAX197。

2.1放大滤波电路

金属电阻应变片以金属电阻体的形变为基础导致电阻值发生变化,具有较好的温度特性,能满足该测试仪长期稳定性要求。由于其灵敏度显得偏低，所以传感器输出的电压信号变化量较小，在-10mV到+10mV范围内，无法直接用单片机进行A/所以需要通过放大滤波电路，将它放大到-10V到+10VD转换，范围内。

前级采用低功耗的仪表放大器AD627，后级采用高精密运算放大器OP27。AD627、OP27采用双级电源供电,均可实现轨对轨输出。二者失调电压、失调漂移、增益误差和增益漂移均较低,有较好的高频共模抑制比,可保持最小的高频误差,因为具有

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1足底力传感器设计

传感器中最常用的是电阻式传感器。电测法的基本原理是用电阻应变片测定构件表面的线应变，再根据应力—应变关系确定构件表面应力状态的一种实验应力分析方法。这种方法是

将电阻应变片粘贴在被测构件的表面，当构件变形时，电阻应变片的电阻值将发生相应的变化，然后通过电阻应变仪将此电阻变化转换成电压（或电流）的变化，再换算成应变值或者输出与此应变成正比的电压（或电流）的信号，由记录仪进行记录，就可得到所测定的应变或应力。

图1单个梁应变片分布

张博:硕士研究生

PLC技术应用200例》

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