劉家倫 周世通 何程函
(北京精密機電控制設備研究所航天伺服驅動與傳動技術實驗室 北京市 100076)
人體步態(tài)監(jiān)測鞋墊的主要作用為監(jiān)測人體在行走過程中下肢的各種狀態(tài),可應用于外骨骼感知系統(tǒng)或醫(yī)療康復等領域。人體在行走過程中,其下肢狀態(tài)可以大致分為四類,即前期支撐狀態(tài)、中期支撐狀態(tài)、后期支撐狀態(tài)以及擺動狀態(tài)。根據(jù)鞋墊壓力點的布置位置以及壓力信息采集,可準確識別人體下肢的實時姿態(tài),并預測其運動趨勢,可為外骨骼系統(tǒng)或醫(yī)療康復設備的人體姿態(tài)感知提供數(shù)據(jù)支撐。
現(xiàn)有步態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)多為有線采集,由于人體信號遮擋嚴重,腳底壓力采集實時性要求高,實時傳輸腳底壓力則成為一個難點。同時,由于該類產品常常需要長時間工作,所以對于該種類型的產品的低功耗工作能力也提出較高的要求[1-9]。
為解決上述問題,本文設計了一種低功耗無線通信人體步態(tài)監(jiān)測鞋墊,通過特殊的無線通信方式設計,提升了信號繞射能力,可實現(xiàn)在人體正常行走的狀態(tài)下,無線數(shù)據(jù)信號能夠克服人體遮擋,實時傳輸腳底壓力數(shù)據(jù);同時,在硬件電路上使用超低功耗設計,并設計了睡眠喚醒功能,需要使用時無需按壓開關,自動檢測通信狀態(tài)即可開啟工作狀態(tài),從而實現(xiàn)長時間超低功耗續(xù)航。
人體步態(tài)監(jiān)測鞋墊內部主要由鞋墊本體、薄膜壓力傳感器、主控板、電池及保護殼、柔性天線組成。鞋墊本體及薄膜壓力傳感器中,鞋墊本體主要起電氣元件包裹及腳底減震作用,使用常見布料或泡棉,薄膜壓力傳感器為市面常見產品,其特性為電阻值隨著壓力的變化而變化,可根據(jù)需求選擇傳感器壓力測試點數(shù)及測試點位置;主控板、電池及保護殼中主控板為鞋墊的電氣核心,負責壓力采集、數(shù)據(jù)通信、電池充電等工作,所使用的電池為常規(guī)可充電鋰電池,保護殼為硬度較高的金屬殼,防止主控板及電池因承受人體壓力而被損壞,柔性天線在鞋墊內側邊緣布置。
人體步態(tài)監(jiān)測鞋墊內部詳細結構爆炸圖如圖1所示,圖1中所示部分主要由表面絨布鞋墊(1)、薄膜壓力傳感器(2);中層泡棉鞋墊(3)、硬件保護殼上殼體(4)、開關及充電接口(5)、鋰電池(6)、主控板(7)、硬件保護殼下殼體(8)、底層泡棉鞋墊(9)以及柔性天線(10)構成。
圖1:人體步態(tài)監(jiān)測鞋墊爆炸圖
其中主控板、電源、開關以及充電接口進行一體化設計,考慮到使用環(huán)境需求,將其放置在金屬殼體內,放置于智能鞋墊腳后跟處,金屬殼體材料為輕質鋁合金,可以保護電氣部分免受穿戴者運動過程中的重力及沖擊力。
為保證穿戴舒適型,采用中層鞋墊與下層鞋墊之間間放置電氣殼體的布置方式,兩種鞋墊材料為彈性泡棉,減小穿戴者對控制器殼體的直接壓力。
薄膜壓力傳感器為市場上成熟度較高的產品,負責采集人體下肢行走過程中的腳掌各部分壓力,其質地柔軟,可以承受人體行走過程中產生的變形。為準確采集人體腳掌壓力,將其放置在泡棉鞋墊上部;
柔性天線一端連接到主控板上天線接口處,從主控板伸出后沿鞋墊本體內部邊緣布置,可布置在鞋墊左側或右側邊緣,從提升無線信號繞射能力,最大化信號傳輸速率及可靠性。
由于PCB 材料表面光滑,為防止穿戴過程中腳部與鞋墊出現(xiàn)相對滑動,在薄膜壓力傳感器上部放置一層較薄鞋墊,材料為絨布,增大與腳掌的摩擦力。最后將各部分采用膠封的方式封裝成一款整體的人體步態(tài)監(jiān)測智能鞋墊,封裝效果圖如圖2所示[10-11]。
圖2:步態(tài)監(jiān)測鞋墊塑封效果圖
外骨骼控制過程中需要對穿戴者前期支撐狀態(tài)、中期支撐狀態(tài)、后期支撐狀態(tài)以及擺動狀態(tài)進行識別,根據(jù)人體下肢在行走過程中腳掌各部位壓力變化曲線,將薄膜壓力傳感器壓力點的直徑設置為20mm,并按照圖3的所示的位置進行布置:壓力點(1)負責采集腳后跟位置的壓力,壓力點(2)負責采集腳掌足弓位置的壓力,壓力點(3)負責采集前腳掌外側位置的壓力,壓力點(4)負責采集大拇指腳尖位置的壓力,壓力點(5)負責采集前腳掌內側位置的壓力[12-14]。
圖3:薄膜壓力傳感器采集點布置示意圖
步態(tài)監(jiān)測鞋墊硬件電路原理框圖如圖4所示。
圖4:硬件電路原理框圖
如圖4,防水MicroUSB 接口為本產品唯一對外接口,可通過標準MicroUSB 插頭接入5V 電源,為產品充電,在調試階段也可通過MicroUSB 的兩個引腳將調試程序下載到主控芯片中;充電電路、保護電路為常規(guī)4.25V 鋰電池充電電路及保護電路;防水觸摸開關及開關電路的作用為控制鞋墊內部上電及斷電,短暫按壓開關鞋墊上電,長時間按壓鞋墊內部斷電;電源變換電路的作用為將電池電壓轉化為3.3V 穩(wěn)定電壓,為內部元器件供電;主控芯片選用低功耗產品,以實現(xiàn)正常工作時的低功耗。射頻模塊選擇具有有低功耗睡眠功能產品,考慮到信號繞射能力以及實時通信能力,發(fā)射頻率常選為1Ghz 以內,射頻模塊將主控芯片的無線傳輸數(shù)據(jù)通過柔性天線發(fā)送至外部控制器,實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的對外無線傳輸。壓力采集電路為電阻分壓電路,通過合理設置分壓電阻可通過片內AD采集薄膜壓力傳感器的數(shù)值,通過微型連接器與薄膜壓力傳感器連接,從而測量薄膜壓力傳感器中對應測試點壓力值。
3.2.1 接口、充電電路及保護電路
步態(tài)監(jiān)測鞋墊內部使用4.25V 可充電式鋰電池,鞋墊外側邊緣布置有防水MicroUSB 接口,可通過標準MicroUSB 插頭接入5V電源,為產品充電,在調試階段也可通過MicroUSB 的兩個引腳將調試程序下載到主控芯片中。接口、充電電路及保護電路原理圖如圖5所示。
圖5:接口、充電電路及保護電路原理框圖
如圖5,鞋墊充電時,外部插頭的+5V 電源可通過防水MicroUSB 接口接入充電專用電源管理芯片,電源管理芯片將+5V轉化為鋰電池充電需要的+4.25V 電壓并設定恒流模式,經過電源保護電路后,給鋰電池充電,當電池電壓達到指定電壓時,電源管理芯片自動停止充電。
在鞋墊正常工作狀態(tài)下,電池電壓經過電源保護電路后進入主控板內部電路,為電氣設備供電。圖中電源保護電路的作用為防止電池過壓、欠壓及過流,可以保護鋰電池不會因為非正常工作狀態(tài)而損壞,提升鋰電池及鞋墊工作壽命。
3.2.2 開關電路及電源變換電路
為便于鞋墊的防水設計,其上電開關使用常開式防水觸摸開關,并設計開關電路及電源變換電路原理框圖如圖6所示,其作用為控制鞋墊內部上電及斷電,短暫按壓開關鞋墊上電,長時間按壓鞋墊內部斷電。電源變換電路的作用為將電池電壓轉為為3.3V 電壓為為內部電路供電。
圖6:開關電路
如圖6,電池電壓首先經過電源保護電路后進入開關管輸入端,由防水觸摸開關或主控芯片控制開關管的通斷,從而控制電池電壓能否進入電源變換電路,從而控制主控板內部電路通電與斷電。
由斷電到上電流程如下:防水觸摸開關被按下時,觸摸開關導通并控制開關管導通,系統(tǒng)上電。系統(tǒng)上電后,主控芯片及內其他內部電路正常工作,主控芯片通過IO 信號設為高控制開關管持續(xù)開通,則防水觸摸開關斷開后開關管依舊導通,系統(tǒng)持續(xù)上電,主控芯片及其他內部電路開始正常工作,主控芯片開始檢測開關按壓狀態(tài)及按壓時間。
由上電轉入斷電流程如下:系統(tǒng)上電時,主控芯片持續(xù)檢測開關的按壓狀態(tài),當檢測到開關被長時間按壓并超出預設的閾值時,主控芯片IO 信號設置為低,從而當開關停止被按壓后,整個系統(tǒng)斷電。
3.2.3 主控芯片、射頻模塊及壓力采集電路
主控芯片使用STM32 系列低功耗產品,芯片本身正常工作狀態(tài)下功耗較低,并且具有睡眠功能。射頻模塊使用市場上比較成熟的固定頻率射頻模塊,同樣具有低功耗睡眠功能。原理框圖如圖7所示。
圖7:主控芯片、射頻模塊及其外圍電路
如圖7,電源變換電路變換后的3.3V 電壓經過濾波電容及過流保護進入主控芯片,并由外部晶振為主控芯片提供時鐘參考。主控芯片與射頻模塊通過SPI 通信,并設置多個IO 信號用于狀態(tài)監(jiān)測及睡眠喚醒,主控芯片將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送至射頻模塊后,由射頻模塊通過柔性天線無線發(fā)送至外部控制器。壓力傳感器反饋的代表壓力的電壓信號通過電阻分壓后進入主控芯片,實現(xiàn)腳底壓力監(jiān)測。
如圖4,主控芯片采集到壓力數(shù)據(jù)后,通過通信接口將數(shù)據(jù)發(fā)送至射頻模塊,由射頻模塊通過布置在邊緣的柔性天線將腳底壓力數(shù)據(jù)發(fā)送到外部控制器中。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖傩?、準確性,優(yōu)化鞋墊射頻模塊的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)發(fā)送流程。壓力采集采用DMA方式,不占用控制器MCU 線程,定時將采集到的壓力數(shù)據(jù)通過射頻模塊發(fā)送,發(fā)送過程中通過實時監(jiān)測射頻模塊的發(fā)送狀態(tài),不管發(fā)送成功與否,都將進入下一次發(fā)送,防止出現(xiàn)發(fā)送失敗導致模塊無法正常工作的情況;發(fā)送機制軟件流程圖如圖8所示。
圖8:步態(tài)監(jiān)測鞋墊數(shù)據(jù)發(fā)送機制軟件流程圖
圖4中所示的外部控制器在正常工作時處于接收狀態(tài),為保證接收數(shù)據(jù)的實時性與快速性,外部控制器接收端采用外部中斷事件觸發(fā)接收機制,在非接收狀態(tài)下,主控芯片實時監(jiān)測是否有中斷事件IO 觸發(fā),一旦檢測到便進行數(shù)據(jù)接收與處理,完成后迅速進入等待接收狀態(tài),以便進行下一次數(shù)據(jù)的接收與處理,防止出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失。外部控制器數(shù)據(jù)接收機制軟件流程圖如圖9所示。
圖9:外部控制器數(shù)據(jù)接收機制軟件流程圖
步態(tài)監(jiān)測鞋墊設定有兩種工作狀態(tài),即正常工作狀態(tài)以及低功耗待機狀態(tài)。在正常工作狀態(tài)下,主控芯片處于正常工作模式,射頻模塊處于發(fā)送模式,主控芯片將采集到的腳底壓力數(shù)據(jù)發(fā)送至射頻模塊,由射頻模塊通過柔性天線發(fā)送至外部控制器。當鞋墊在一定時間內未采集到腳底壓力數(shù)據(jù)時,鞋墊進入低功耗待機狀態(tài),等待外部控制器發(fā)送喚醒信號,在低功耗待機狀態(tài)下,如果鞋墊接收到1 條完整喚醒信號,則鞋墊自動喚醒,進入正常工作狀態(tài),以此往復。
鞋墊由正常工作狀態(tài)轉入低功耗待機狀態(tài)流程圖如圖10。當鞋墊處于正常工作狀態(tài)下,鞋墊實時采集腳底壓力數(shù)據(jù)并無線發(fā)送到外部控制器。當鞋墊記錄到X 秒內無腳底壓力信號時,則認定用戶暫時無需使用壓力采集功能,則開啟進入低功耗待機狀態(tài)流程。假設外部控制器向鞋墊發(fā)送一條完整喚醒信號需要A 毫秒,則主控芯片設置射頻模塊每B 毫秒接收一次數(shù)據(jù),接收數(shù)據(jù)時長為2A 毫秒,在每B 毫秒內,2A 毫秒射頻模塊處于接收模式,B-2A 毫秒射頻模塊處于睡眠模式,之后主控芯片進入睡眠模式,從而步態(tài)監(jiān)測鞋墊進入低功耗待機狀態(tài)。
圖10:正常工作狀態(tài)進入低功耗待機狀態(tài)流程圖
鞋墊由低功耗待機狀態(tài)轉入正常工作狀態(tài)流程圖如圖11所示。當鞋墊處于低功耗待機狀態(tài)時,射頻模塊每B 毫秒接收一次數(shù)據(jù),接收數(shù)據(jù)時長為2A 毫秒,在每B 毫秒內,2A 毫秒射頻模塊處于接收模式,B-2A 毫秒射頻模塊處于睡眠模式。通常,B 設置為A的100-200 倍左右,以兼顧低功耗以及適中的喚醒時間。當鞋墊在2A 毫秒內接收到外部控制器單條完成的喚醒數(shù)據(jù)時,發(fā)送IO 信號喚醒睡眠模式下的主控芯片,則主控芯片被喚醒,鞋墊進入正常工作狀態(tài)。
圖11:低功耗待機狀態(tài)轉入正常工作狀態(tài)流程圖
單套產品正面與背面實物圖如圖12 所示,鞋墊正面為黑色防滑絨布,背面采用緩沖泡棉進行填充,電氣系統(tǒng)放置于足后跟處。
圖12:單雙產品正面與背面實物圖
通過該人體步態(tài)鞋墊采集的單步態(tài)壓力曲線圖如圖13 所示。圖中五條曲線分別表示大腿單步態(tài)全周期的足弓、腳后跟、前腳掌內側、大拇指腳尖處、前腳掌外側的腳底壓力值。圖中可看出前期支撐態(tài)、中期支撐態(tài)、末期支撐態(tài)以及擺動態(tài)時的腳底壓力值及趨勢[15]。
圖13:單步態(tài)全周期壓力曲線
本文設計并實現(xiàn)了了一種低功耗無線通信人體步態(tài)監(jiān)測鞋墊,通過柔性天線邊緣布置的方式無線通信方式設計,提升了信號繞射能力,可實現(xiàn)在人體正常行走的狀態(tài)下,無線數(shù)據(jù)信號能夠克服人體遮擋,實時傳輸腳底壓力數(shù)據(jù);同時,在硬件電路上使用超低功耗設計,并設計了睡眠喚醒功能,需要使用時無需按壓開關,自動檢測通信狀態(tài)即可開啟工作狀態(tài),從而實現(xiàn)長時間超低功耗續(xù)航。該產品可應用于外骨骼機器人感知系統(tǒng)、醫(yī)療康復、實驗室研究等多個領域。