一種負(fù)重型下肢外骨骼機(jī)器人的控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及外骨骼機(jī)器人領(lǐng)域，具體是一種負(fù)重型下肢外骨骼機(jī)器人的控制系 統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 外骨骼機(jī)器人是一種典型的外骨骼助力裝置，可為穿戴者提供助力、支撐、保護(hù)等 功能，融合了人體運(yùn)動(dòng)意圖獲取，多軸運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)械仿生設(shè)計(jì)等機(jī)器人技術(shù)，是一種典型 的人機(jī)一體化系統(tǒng)，可用于軍事、運(yùn)輸、醫(yī)療康復(fù)等方面。負(fù)重型下肢外骨骼機(jī)器人為外骨 骼機(jī)器人的一種，主要用于對(duì)穿戴者的下肢提供助力，主要用于山地貨物搬運(yùn)，搶險(xiǎn)救災(zāi)等 場(chǎng)合。
[0003] 負(fù)重型下肢外骨骼機(jī)器人控制系統(tǒng)有多種實(shí)現(xiàn)方式，根據(jù)采集信號(hào)的不同，可以 分為體表肌電信號(hào)控制、腦電信號(hào)控制和接觸力信號(hào)控制三種。體表肌電信號(hào)控制(如日本 的HAL)具有延時(shí)短，實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但是也存在穿戴繁瑣，電極易脫落的缺點(diǎn)；腦電信號(hào) 控制，可以實(shí)現(xiàn)意念控制，但抗干擾性較差；接觸力控制（如美國(guó)的BLEEX)具有穿戴方便， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但存在響應(yīng)遲緩，實(shí)時(shí)性差的缺點(diǎn)。在運(yùn)動(dòng)控制算法方面，對(duì)于負(fù)重型的 下肢外骨骼機(jī)器人一般采用主動(dòng)控制和跟隨控制兩種控制算法。主動(dòng)控制是機(jī)器"帶著" 人行走，行走步態(tài)為事先規(guī)劃好的標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)，行走過(guò)程中，人消耗的能量最小，但是由于標(biāo) 準(zhǔn)步態(tài)的有限性，機(jī)器人很難適應(yīng)地形復(fù)雜的環(huán)境；跟隨控制是人"帶著"機(jī)器走，在行走 過(guò)程中，人引導(dǎo)機(jī)器人行走，機(jī)器人同時(shí)為人提供助力，雖然行走過(guò)程中人要消耗一定的能 量，但是靈活性要比主動(dòng)控制要強(qiáng)很多，可以很好地將人體運(yùn)動(dòng)的靈活性和機(jī)器人的力量 性完美結(jié)合起來(lái)。信號(hào)采集和控制算法的任意組合可以形成多種控制算法，但基于接觸力 的跟隨控制算法已逐漸成為外骨骼機(jī)器人控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)；目前，在國(guó)外，負(fù)重型下肢 外骨骼機(jī)器人控制系統(tǒng)研究起步早，技術(shù)較成熟，但由于大部分用于軍事用途，技術(shù)對(duì)外保 密；在國(guó)內(nèi)，負(fù)重型下肢外骨骼機(jī)器人控制系統(tǒng)研究起步晚，技術(shù)還不成熟，因此，迫切需要 研究一種可靠的控制系統(tǒng)來(lái)滿足人們對(duì)負(fù)重型下肢外骨骼機(jī)器人設(shè)計(jì)的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易穿戴、低成本的負(fù)重型下肢外骨骼機(jī) 器人的控制系統(tǒng)，以解決上述【背景技術(shù)】中提出的問(wèn)題。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案： 一種負(fù)重型下肢外骨骼機(jī)器人的控制系統(tǒng)，由兩個(gè)功能相同子系統(tǒng)構(gòu)成；每個(gè)子系統(tǒng) 由信號(hào)采集裝置、微控制器、運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及控制算法組成；所述下肢外骨骼機(jī)器人用于 為穿戴者下肢提供助力；所述信號(hào)采集裝置由薄膜壓力傳感器、磁角度傳感器、多通道放 大器、多通道低通濾波器構(gòu)成，完成穿戴者足底壓力信號(hào)和下肢外骨骼機(jī)器人的踝關(guān)節(jié)角 度信號(hào)的采集；所述運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由伺服驅(qū)動(dòng)器組和伺服電缸組組成；所述控制算法采用 末端跟隨控制算法；信號(hào)采集裝置采用薄膜壓力傳感器采集穿戴者的足底壓力信號(hào)，采用 磁傳感器采集機(jī)器人踝關(guān)節(jié)的相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度信號(hào)，微控制器將穿戴者足底壓力信號(hào)裝換成 數(shù)字量，并將將獲得穿戴者足底壓力信號(hào)和機(jī)器人踝關(guān)節(jié)角度信號(hào)通過(guò)末端跟隨控制算法 計(jì)算出下一時(shí)刻機(jī)器人髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的角度值，從而計(jì)算出相應(yīng)伺服電缸組的運(yùn)動(dòng)控制 量；微控制器通過(guò)EtherCAT接口將所得運(yùn)動(dòng)控制量傳送給相應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)器組，伺服驅(qū)動(dòng) 器組驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)伺服電缸組運(yùn)動(dòng)。
[0006] 作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：所述子系統(tǒng)在硬件方面由一套微控制器集中實(shí)現(xiàn)，或 由兩套微控制器分布實(shí)現(xiàn)，但在控制流程上是相互獨(dú)立的。
[0007] 作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：信號(hào)采集裝置內(nèi)部壓力信號(hào)采集通道和角度信號(hào)采集 通道相互獨(dú)立，壓力信號(hào)要通過(guò)放大和濾波進(jìn)行讀取，角度信號(hào)直接通過(guò)總線讀取。
[0008] 作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：所述壓力信號(hào)為4路，左右各2路，角度信號(hào)為2路，左 右各1路，即每個(gè)子系統(tǒng)需要2路壓力信號(hào)和1路角度信號(hào)。
[0009] 作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：所述微控制器采用ARM單片機(jī)，ARM單片機(jī)內(nèi)部帶有 ADC模塊和SPI接口，ADC模塊將來(lái)自信號(hào)采集裝置的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，SPI總線用 于連接磁角度傳感器。
[0010] 作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：所述伺服驅(qū)動(dòng)器組和伺服電缸組數(shù)量一樣，一個(gè)驅(qū)動(dòng) 器配一個(gè)伺服電缸，每個(gè)子系統(tǒng)由兩個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器和兩個(gè)伺服電缸組成。
[0011] 作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：伺服電缸采用MXON伺服電缸。
[0012] 作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：所述末端跟隨控制算法的輸入信號(hào)為穿戴者足底壓力 信號(hào)和下肢外骨骼機(jī)器人的踝關(guān)節(jié)角度信號(hào)。
[0013] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是： 本發(fā)明提供一種負(fù)重型下肢外骨骼機(jī)器人的控制系統(tǒng)。為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，控制 系統(tǒng)采用兩套相同裝置來(lái)完成，且裝置之間相互獨(dú)立；采用響應(yīng)時(shí)間短的薄膜壓力傳感器 采集人體足底前后側(cè)主要受力點(diǎn)的壓力信號(hào)；采用體積小的磁傳感器作為角度傳感器，采 集機(jī)器人踝關(guān)節(jié)角度信號(hào)，并方便嵌入到機(jī)器人機(jī)械機(jī)構(gòu)中；采用高性能的ARM單片機(jī)作 為主控制器，可以快速完成信號(hào)采集和控制算法實(shí)現(xiàn)等任務(wù)；運(yùn)動(dòng)執(zhí)行器采用的MXON伺 服電缸，該電缸具有體積小、功率高的特點(diǎn)，非常適合負(fù)重型外骨骼機(jī)器人的動(dòng)力要求；控 制算法采用末端跟隨控制算法，提高機(jī)器人對(duì)穿戴者身高的適應(yīng)性。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 容易穿戴、低成本的優(yōu)勢(shì)。
【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例中外骨骼整體機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖一。
[0015] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例中外骨骼整體機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖二。
[0016] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例中單側(cè)足底壓力傳感器安裝位置示意圖。
[0017] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例中單側(cè)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 圖5是本發(fā)明實(shí)施例中末端跟隨控制算法原理示意圖。
[0019] 圖6是本發(fā)明實(shí)施例中單側(cè)控制流程示意圖。
[0020]
[0021] 圖中：1-機(jī)器人髖關(guān)節(jié)、2-伺服電缸、3-機(jī)器人膝關(guān)節(jié)、4-機(jī)器人踝關(guān)節(jié)、5-機(jī)器 人靴、6-機(jī)器人髖關(guān)節(jié)電缸、7-機(jī)器人踝關(guān)節(jié)電缸、8-機(jī)器人靴力接觸面、9-機(jī)器人靴前受 力點(diǎn)、10-機(jī)器人靴后受力點(diǎn)。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述， 顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的 實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都 屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0023] 實(shí)施例1 本發(fā)明實(shí)施例中，請(qǐng)參閱圖1-5所示，本發(fā)明是揭露一種負(fù)重型下肢外骨骼機(jī)器人的 控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)有兩個(gè)功能相同子系統(tǒng)構(gòu)成。每個(gè)子系統(tǒng)主要由信號(hào)采集裝置、微控制 器、運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及控制算法四部分組成。
[0024] 信號(hào)采集裝置采用薄膜壓力傳感器采集穿戴者的足底壓力，薄膜壓力傳感器在機(jī) 器人靴5底表面上的安裝位置請(qǐng)參閱圖3,機(jī)器人靴力接觸面8上有兩個(gè)受力點(diǎn)，分別為機(jī) 器人靴前受力點(diǎn)9、機(jī)器人靴后受力點(diǎn)10。薄膜壓力傳感器安放到兩個(gè)受力點(diǎn)的凹槽內(nèi)，上 部墊一圓形硬橡膠墊片，使其略高于靴底表面，以使穿戴者足底壓力充分施加