基于机器人运动信号的感知技术《资讯》

2017-05-17 19:41:37来源： 贤集网

目前国内外常见的可检测的运动信号主要是位置角度类信号以及触力觉信号。用来检测位置角度类信号的传感器主要有:位移传感器、弯曲度传感器、光学编码器、磁增量编码器、霍尔传感器、角度型数据手套、Leapmotion、三轴陀螺仪、加速度计等。其中位移传感器、弯曲度传感器、三轴陀螺仪及加速度计主要是安装在外骨骼机器人上,随着患者肢体的运动变化,传感器的内部参数也发生相应的变化,从而得出患者当前的运动状态。

位移传感器及弯曲度传感器在患者肢体发生相应弯曲时,传感器也发生相应的物理量变化,通过变化识别患者肢体的弯曲角度,具有测量简单、超薄封装、方便信息的采集与处理等优点。三轴加速度计及陀螺仪一般两者综合使用。加速度计传感器对物体姿态的识别是基于传感器的敏感轴对重力的感应实现的。将加速度传感器置于待测物体水平面上,当物体发生转动,加速度传感器的敏感轴也发生转动,加速度也会发生改变,因此能够表征物体姿态的变化。

陀螺仪用来测量当前动态载体的角速率,再利用高精度积分函数对角速率进行积分从而得到姿态角。但是由于三轴加速度计和陀螺仪在测量的过程中存在误差,通过传感器数据融合之后进行姿态解算得到的数据会有漂移现象并受噪声干扰,可以结合卡尔曼滤波对姿态解算数据中出现的噪声和漂移进行处理和校正,提高测量精度。光学编码器、磁增量编码器主要是安装在电机内部或者连接在电机的旋转轴上,通过几何关系产生的传动比以及自身的转角,便能够计算出关节转角。

但是由于设备的机械性质,有些远端关节的传动绳需要经过近端关节,因此绳的长度会受其所穿过的近端关节的影响,造成较大的测量误差,不利于产生精确的反馈及控制。因此,在实际的处理过程中,可以通过改进设备的机械性质,通过几何关系以及实验来确定关节转角和传动绳长度之间的映射关系,并且通过电机转角以及转速的闭环控制对摩擦力进行补偿的方法来实现更加精确的角度测量。霍尔传感器沿着转轴安装用来做限位开关,限制外骨骼的转角范围,也可以用来测量肢体的角位移。

用来检测触力觉信号的传感器主要有电阻应变式传感器、硅压阻式力传感器、六轴F/T传感器、张力传感器、应变仪、电子皮肤、触觉传感器等。电阻应变式传感器、张力传感器、应变仪等力传感器主要是用来检测患者与外骨骼机器人之间的交互力,用以评估了解患者当前的康复状态,如Ali等的智能医疗评估手套使用的就是力敏电阻。在患者康复初期,添加有效的人机交互力控制,能够有效地避免患者在运动过程中出现肌肉痉挛现象。

六轴F/T传感器、触觉传感器、电子皮肤等传感器主要是用来检测患者与外界环境之间的接触情况,用以实现康复过程中对患者的辅助以及在用于智能假肢时感知外界环境等信息。如Jeong等采用肌腱张力传感器测量肌腱的张力,这样在仅使用一个传感器的情况下能够涵盖所有的手指抓取情形。六轴F/T传感器能够测量多个方向上力的变化,但是受体积等因素的影响,还较难实现。还有一种电子皮肤式的触觉传感器,目前仅处于实验室阶段。

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