摘 要

随着外骨骼机器人作为一种可为人体提供保护监测以及助力的可穿戴式人体机械辅助设备近年来的快速发展，国内外对于人体运动状态的研究越来越深入。因为步行是人类最基本的行为方式，所以对步行姿态的研究是主要的内容。设计一套精确的人体足部压力数据采集系统，可以为运动模式的研究提供丰富的信息来源与可靠的资料保障。论文的主要工作为：

（1）设计了足底压力采集系统的结构框图，包括了电压转换、信号放大与滤波、AD采集、传输通信。

（2）完成了硬件的选型与设计。传感器选择薄膜压力传感器FSR，微控制器选择STM32F373，设计了相关的传感器驱动电路、转换电路以及数据采集与通信模块。

（3）完成了软件的设计。通过嵌入式开发软件编写了下位机模块化程序，阐述了Modbus通信协议的内容、原理以及相关传输过程。使用Qt软件设计了足底压力显示界面并借助Matlab绘制压力图形。

设计完成的下位机软件，成功实现了足部压力数据的采集。利用基于Modbus通信协议的RS485传输模块进行上下位机之间通信，实现了数据的传输。上位机显示界面展示了足底压力数据，绘制压力图形。

关键词：外骨骼机器人；足部压力采集；嵌入式开发；Modbus通信；人体运动分析

Abstract

With the rapid development of exoskeleton robot as a wearable human mechanical auxiliary device that can provide protection, monitoring and assistance for human body, at home and abroad for the human body movement state research is more and more thorough. Because walking is the most basic human behavior, so the study of walking posture is the main content. The design of an accurate data collection system of human foot pressure can provide abundant information sources and reliable data protection for the study of motion patterns.The main work of this paper is as follows:

(1) The structural block diagram of the foot pressure acquisition system is designed, including voltage conversion, signal amplification and filtering, AD acquisition, transmission and communication.

(2) The hardware selection and design are completed. The membrane pressure sensor FSR is selected, and the microcontroller STM32F373 is selected. The relevant sensor driving circuit, conversion circuit and data acquisition and communication module are designed.

(3) The design of the software is completed. The modular program of the lower computer is written by the embedded development software and the content, principle and relevant transmission process of Modbus communication protocol are described. Qt software is used to design the plantar pressure display interface and draw the pressure graph with the help of Matlab.

The software of the lower part of the machine successfully realizes the data collection of foot pressure. The RS485 transmission module based on Modbus communication protocol is used to carry out the communication between the upper and lower computers, and the data transmission is realized.The upper computer display interface shows the data of plantar pressure and draws the pressure graph.

Key Words：Exoskeleton robot; Foot pressure acquisition; Embedded development; Modbus Protocol ；Human motion analysis

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 研究的基本内容 3

第二章 人体足部压力采集系统设计 5

2.1 足部压力采集系统结构设计 5

2.2 足底压力传感器设计 5

2.3 压力传感器驱动放大及其滤波电路 7

2.4 足部微控制器模块 8

2.5 通信模块 8

第三章 人体足部压力采集软件设计 11

3.1 嵌入式软件简介 11

3.2在KEIL中配置STM32F373的编译环境 11

3.2.1添加STM32开始文件 11

3.2.2添加STM32 HAL库驱动文件 12

3.3 FreeModbus通信协议 13

3.3.1 FreeModbus配置RTU传输 14

3.3.2 FreeModbus在STM32上的移植 15

3.4 AD采集与接口数据传输 18

3.5 模块主程序 18

第四章 人体足部压力数据显示与分析 21

4.1 Qt软件环境的安装 21

4.2 显示模块设计 21

4.2.1 计算线程workthread 22

4.2.2 主线程显示窗口mainwindow 23

4.2.3 足底压力的显示 24

4.3 足部压力采集结果分析 24

第五章 总结与展望 27

5.1 工作总结 27

5.2 研究展望 27

参考文献 28

致谢 29

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

现如今的科学技术水平正在飞速发展和突破，众多科技成果纷纷影响并融入人们的生活，大大提升了社会的幸福指数。外骨骼机器人作为一种按照人体生理结构和实际需求研发的可穿戴式人体机械辅助设备，可为人体提供保护监测以及助力，近年来得到了空前的发展^[1]。在军用中，它可以满足现代信息化作战的需要，通过电子助力方式辅助士兵完成大负荷体力劳作任务，提高了作战效率。在民用中，外骨骼机器人对于医学领域有极大价值，可以帮助人们更好地监测身体运动状态的同时大大提高残疾人士的生活自理能力。外骨骼机器人穿戴在人身上，通过计算机控制系统读取嵌入式传感器系统中的人体运动数据并利用软件算法进行分析运算，从而完成各驱动骨骼关节的控制。工作时需要各传感系统对人体的基本生理特点和潜在行为方式进行检测，才能准确科学地处理，实现人体行为识别。因此，对于人体运动状态的研究，设计一套精确的数据采集系统是重要的一环。

步行是人类最基本的行为方式，步行姿态实际上是一个精确且复杂的动作，直观的体现方式就是下肢交替前行并同时保持站立平衡^[2]，对步行的研究可以得到人体当前主要的运动状态。正因为利用足底压力模块对人体足部运动状态进行数据采集可以为研究人体的运动状态提供重要数据来源，所以这对人体运动状态研究具有非常重要的现实意义。起初人们根据脚印在软性材料及其不同部位的深浅程度来采集足部运动状态的动力学数据。得益于计算机以及传感器技术的发展，足部运动状态的精确量化分析逐渐成为被广泛使用的评估和研究工具。对于数据的采集有许多种方式，其中随着柔性压力阵列传感器技术的成熟，大范围使用传感器并精确高效采集数据在成本上、技术上已经成为现实，基于足底压力传感器的运动状态数据采集具有便携性、实用性、全天候等独特优点^[3]。