多自由度穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人電動(dòng)控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種多自由度穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人電動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括主控制器、關(guān)節(jié)控制器、手杖檢測(cè)單元、位姿檢測(cè)單元、電源單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器、電機(jī)。其特征在于：主控制器高速CPU模塊通過(guò)CAN通訊模塊實(shí)現(xiàn)與各關(guān)節(jié)控制器的雙向數(shù)據(jù)通訊，負(fù)責(zé)位姿運(yùn)算和步態(tài)規(guī)劃以及整體運(yùn)動(dòng)綜合；關(guān)節(jié)控制器的微處理器CPU通過(guò)CAN通訊模塊實(shí)現(xiàn)與主控制器高速CPU的通訊，通過(guò)無(wú)線通訊模塊與手杖檢測(cè)單元通訊，通過(guò)速度、電流控制模塊以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的變頻、變速、變力矩控制；關(guān)節(jié)控制器分別與主控制器、手杖檢測(cè)單元、位姿檢測(cè)單元、電源單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器相連；位姿檢測(cè)單元與手杖檢測(cè)單元分別由單獨(dú)電源模塊供電，完全隔離。
【專利說(shuō)明】多自由度穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人電動(dòng)控制系統(tǒng)
—.【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種穿戴式康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人的控制系統(tǒng)，具體涉及一種多自由度穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人電動(dòng)控制系統(tǒng)。
二.【背景技術(shù)】
[0002]可穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人是一種典型的外骨骼助理裝置，穿戴在操作者的者的外部，為操作者提供諸如助力、保護(hù)、身體支撐等功能，同時(shí)又融合了傳感、控制、移動(dòng)計(jì)算等機(jī)器人技術(shù)，使得該機(jī)器人能在操作者的無(wú)意識(shí)控制下完成一定的功能和任務(wù)，是典型的人機(jī)一體化系統(tǒng)。穿戴式助力裝置時(shí)一個(gè)嶄新的研究領(lǐng)域，目前仍然處于探索研究階段、當(dāng)前利用外骨骼評(píng)估、重建和提高殘疾肢體運(yùn)動(dòng)肌肉靈活性的研究已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外的熱點(diǎn)研究課題。
[0003]人體助力外骨骼機(jī)器人起源于美國(guó)1966年的哈曼頓助力機(jī)器人的設(shè)想及研發(fā)，到今天整體仍處于研發(fā)階段。20世紀(jì)80年代是康復(fù)機(jī)器人研究的起步發(fā)展階段，美國(guó)、英國(guó)和加拿大在康復(fù)機(jī)器人方面的研究處于世界領(lǐng)先地位；1990年以后康復(fù)機(jī)器人的研究進(jìn)入到全面發(fā)展時(shí)期，相關(guān)的各項(xiàng)技術(shù)也均有了長(zhǎng)足的發(fā)展，可為外骨骼機(jī)器人的成功實(shí)現(xiàn)提供有力的支撐。
[0004]從2004年開(kāi)始，國(guó)內(nèi)一些院校陸續(xù)開(kāi)始了這方面的研究，而與外骨骼相關(guān)的控制系統(tǒng)也相繼開(kāi)始進(jìn)行研究，如浙大研發(fā)的氣動(dòng)控制系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)以及本單位研發(fā)的電動(dòng)控制系統(tǒng)。由于外骨骼機(jī)器人控制系統(tǒng)涵蓋了伺服電機(jī)、自動(dòng)控制、電力電子、驅(qū)動(dòng)、傳感器、信息處理等技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)，門(mén)檻很高、邁入困難，至今沒(méi)有與簡(jiǎn)潔的外骨骼結(jié)構(gòu)相配套的控制系統(tǒng)，而穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人迅猛的發(fā)展勢(shì)頭也將驅(qū)使相應(yīng)的控制系統(tǒng)的研究成為未來(lái)幾年的熱點(diǎn)。
三.
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于，基于穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人本身的特點(diǎn)和電動(dòng)控制的要求，提供一種滿足多自由度穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人需求的電動(dòng)控制系統(tǒng)。本發(fā)明采用數(shù)字電源與模擬電源隔離耦合、大功率電源與小功率電源隔離耦合，防止模擬電源對(duì)數(shù)字電源的串?dāng)_、大功率電源與小功率電源的串?dāng)_，提高系統(tǒng)的可靠性；采用模塊化設(shè)計(jì)思想，在硬件設(shè)計(jì)上，將與步態(tài)控制和大量數(shù)據(jù)運(yùn)算相關(guān)的功能放在主控板上，與各關(guān)節(jié)相關(guān)控制和信號(hào)采集處理放在相應(yīng)的關(guān)節(jié)控制器上，與電機(jī)控制相關(guān)功能放在電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器上，與拐杖檢測(cè)功能相關(guān)的放在拐杖檢測(cè)電路板上，從而便于控制的生產(chǎn)、測(cè)試、安裝、維修、更換；在軟件設(shè)計(jì)上，采用功能化、模塊化、層次化設(shè)計(jì)，可重用性強(qiáng)，使程序結(jié)構(gòu)清晰，易于編寫(xiě)、維護(hù)。
[0006]本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方案:一種多自由度穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人電動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括主控制器1、關(guān)節(jié)控制器2、手杖檢測(cè)單元3、位姿檢測(cè)單元4、電源單元5、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器6、電機(jī)7。[0007]其特征為:
[0008]所述的主控制器I由高速微處理器CPU、CAN通訊模塊Al組成。高速微處理器CPU通過(guò)CAN通訊模塊Al實(shí)現(xiàn)與關(guān)節(jié)控制2間的雙向數(shù)據(jù)通訊，并且直接與位姿檢測(cè)單元相連，實(shí)現(xiàn)位姿單元到主控制器的單向數(shù)據(jù)通訊。主控制器I分別與各關(guān)節(jié)控制器2、位姿檢測(cè)單元4和電源單元5相連。其中高速CPU負(fù)責(zé)接收各個(gè)關(guān)節(jié)控制器發(fā)送過(guò)來(lái)的信息和位姿檢測(cè)單元4數(shù)據(jù)，完成關(guān)于穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃整體和運(yùn)動(dòng)綜合的相關(guān)運(yùn)算，并通過(guò)CAN通訊模塊Al傳遞給關(guān)節(jié)控制器2。另外人機(jī)交互任務(wù)也由其完成。
[0009]所述的關(guān)節(jié)控制器2由微處理器CPU、CAN通訊模塊B1、無(wú)線通訊模塊B2、速度控制模塊B3、電流控制模塊B4、PWM信號(hào)生成電路B5、位置信號(hào)處理模塊B6、AD轉(zhuǎn)換電路B7、低電源電壓保護(hù)電路B8、限流保護(hù)電路B9、短路保護(hù)電路BlO組成。微處理器CPU由通過(guò)CAN通訊模塊BI實(shí)現(xiàn)與主控制器I間的雙向數(shù)據(jù)通訊，通過(guò)無(wú)線通訊模塊B2實(shí)現(xiàn)與手杖檢測(cè)單元3間的雙向數(shù)據(jù)通訊，通過(guò)速度控制模塊B3、電流控制模塊B4和PWM信號(hào)生成電路B5產(chǎn)生對(duì)電機(jī)7的控制信號(hào)，通過(guò)低電源電壓保護(hù)模塊B8、限流保護(hù)模塊B9、短路保護(hù)電路BlO采集外圍可能產(chǎn)生保護(hù)的原始信號(hào)，并最終產(chǎn)生相應(yīng)的保護(hù)信號(hào)，通過(guò)位置信號(hào)處理模塊B6和AD轉(zhuǎn)換電路B7處理位置、速度和電流信號(hào)，并且直接與位姿檢測(cè)單元4相連。關(guān)節(jié)控制器2分別主控制器1、手杖檢測(cè)單元3、位姿檢測(cè)單元4、電源單元6、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器6相連。其中微處理器CPU通過(guò)CAN通訊模塊BI接收主控制器I的目標(biāo)信息，并根據(jù)目標(biāo)信息和外接的各種傳感器采集的信息，進(jìn)行綜合運(yùn)算，完成對(duì)后續(xù)電機(jī)的位置、速度、電流的控制，達(dá)到控制目標(biāo)。另外在整個(gè)實(shí)時(shí)期間，還通過(guò)電壓保護(hù)電路B8、限流保護(hù)電路B9、短路保護(hù)電路BlO時(shí)刻對(duì)所控制電路進(jìn)行檢測(cè)保護(hù)。
[0010]所述的手杖檢測(cè)單元3由按鍵與傳感器Cl、整形濾波電路C2、手杖檢測(cè)單元CPUC3、無(wú)線通訊模塊C4和獨(dú)立電源模塊C5組成。按鍵與傳感器Cl經(jīng)過(guò)整形濾波電路C2連接到手杖檢測(cè)單元CPU C3上，手杖檢測(cè)單元CPU C3通過(guò)無(wú)線通訊模塊C4實(shí)現(xiàn)與關(guān)節(jié)控制器2間的雙向通訊，獨(dú)立電源模塊C5分別給其他模塊供電。手杖檢測(cè)單元3與關(guān)節(jié)控制器2無(wú)線相連。其中手杖檢測(cè)單元CPU C3是負(fù)責(zé)接收傳感器信息，并經(jīng)過(guò)處理之后進(jìn)行編碼，之后經(jīng)過(guò)無(wú)線通訊模塊C4發(fā)送給關(guān)節(jié)控制器I。手杖檢測(cè)單元3獨(dú)立于其他硬件，安裝在自由活動(dòng)的手杖之上，通過(guò)無(wú)線通訊模塊C4與其他部分相連。
[0011]所述的位姿檢測(cè)單元4由位姿采集模塊D1、信號(hào)提取模塊D2、信號(hào)初步處理模塊D3、光電隔離模塊D4和獨(dú)立電源模塊D5組成。位姿采集信號(hào)Dl依次經(jīng)過(guò)信號(hào)提取模塊D2、信號(hào)初步處理模塊D3和光電隔離模塊D4與主控制器I和關(guān)節(jié)控制器2相連，獨(dú)立電源模塊分別給其他各模塊供電。其中位姿采集模塊Dl采集位姿信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)提取模塊D2得到有用的位姿信號(hào)，這些再經(jīng)過(guò)信號(hào)初步處理模塊D3得到簡(jiǎn)化的信號(hào)，之后通過(guò)光電隔離模塊D4傳輸?shù)街骺刂破鱅和關(guān)節(jié)控制器2上。
[0012]電源單元5由電源濾波模塊E1、電源保護(hù)模塊E2、隔離模塊E3、開(kāi)關(guān)電源模塊E4和穩(wěn)壓濾波模塊E5組成。其中電源濾波模塊El外接36V電源，后接電源保護(hù)模塊E2，再經(jīng)隔離模塊E3產(chǎn)生36V功率電源和連接開(kāi)關(guān)電源模塊E4的數(shù)字電源，開(kāi)關(guān)電源模塊E4產(chǎn)生的各種電壓經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓濾波模塊E5后對(duì)外輸出，這里的完成了大功率電源和小功率電源的隔離、數(shù)字電源和模擬電源的隔離。
[0013]電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器6主要由專用伺服驅(qū)動(dòng)模塊Fl和電流檢測(cè)模塊F2組成。專門(mén)伺服驅(qū)動(dòng)模塊B6的輸入端與關(guān)節(jié)控制器2的PWM信號(hào)生成電路B5經(jīng)過(guò)隔離處理后相連，輸出經(jīng)過(guò)電流檢測(cè)模塊F2連接到電機(jī)7驅(qū)動(dòng)輸入端，電流檢測(cè)模塊F2的輸出端與關(guān)節(jié)控制器2的AD轉(zhuǎn)換電路B7相連。電機(jī)的轉(zhuǎn)軸同軸減速前端裝有速度傳感器，同軸減速后端裝有位置傳感器，兩者的輸出端都連接到關(guān)節(jié)控制器2的位置信號(hào)處理模塊B6相連。其中專用伺服驅(qū)動(dòng)模塊Fl接收關(guān)節(jié)控制器I的控制信號(hào)，進(jìn)行功率放大，再通過(guò)電流檢測(cè)模塊F2去控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)，由于功率較大，散熱模塊加快專用伺服驅(qū)動(dòng)模塊Fl的散熱。
[0014]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn):
[0015]1.層次分明的硬件組成。
[0016]本發(fā)明的硬件基于主-從式、分布式的結(jié)構(gòu)。主控制器I負(fù)責(zé)外骨骼機(jī)器人全局步態(tài)規(guī)劃和整體運(yùn)動(dòng)的綜合，關(guān)節(jié)控制器2負(fù)責(zé)相關(guān)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)控制和相應(yīng)關(guān)節(jié)的信號(hào)的采集，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)算與控制的分離，充分發(fā)揮了相關(guān)硬件的優(yōu)勢(shì)。
[0017]2.層次分明的軟件程序架構(gòu)及實(shí)現(xiàn)方式
[0018]本發(fā)明主控制層I的軟件實(shí)現(xiàn)是基于多線程運(yùn)算，將不同功能的運(yùn)算放在不同的線程之下，各個(gè)模塊在運(yùn)算上相互獨(dú)立；關(guān)節(jié)控制層2的軟件實(shí)現(xiàn)基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，將程序分成底層及邏輯層兩大層次。底層核心控制部分采用先進(jìn)的算法實(shí)現(xiàn)，獨(dú)立性強(qiáng)。邏輯層以模塊化方式實(shí)現(xiàn)，從而使整體軟件構(gòu)架清晰，魯棒性好，維護(hù)更加方便。
[0019]3.可靠性的進(jìn)一步提高。
[0020]在硬件上，由于本發(fā)明采用了獨(dú)特先進(jìn)的隔離技術(shù)，使得整個(gè)系統(tǒng)抗干擾能力更強(qiáng)，可靠性更高。同時(shí)在位姿檢測(cè)單元4和手杖檢測(cè)單元3上使用獨(dú)立電源供電，排除了干擾，提高了檢測(cè)的準(zhǔn)確行和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外，在電源部分和電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分，充分設(shè)計(jì)了各種保護(hù)電路及迅速散熱結(jié)構(gòu)，使得控制系統(tǒng)更加可靠、安全。另外，在軟件上，采用冗余設(shè)計(jì)技術(shù)、防死循環(huán)、多級(jí)復(fù)合保護(hù)技術(shù)，使軟件的穩(wěn)定性更好。
[0021]4.手杖檢測(cè)單元提高了整體的靈活性和安全性
[0022]本發(fā)明的手杖檢測(cè)單元的設(shè)計(jì)，采用無(wú)線傳輸，使手杖使用非常靈活方便，同時(shí)手杖的使用又增加了人體的支撐點(diǎn)和支撐范圍，提高了整個(gè)系統(tǒng)的安全性。
[0023]5.關(guān)鍵指標(biāo)的提升
[0024]本發(fā)明的技術(shù)指標(biāo)提升表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:電動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩大幅增加；啟動(dòng)加速過(guò)程平穩(wěn)，無(wú)超調(diào)；靜態(tài)支撐無(wú)震蕩；電源紋波系數(shù)小，電路抗干擾性高；體積小，攜帶方便；電壓低，安全性高。
四.【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1是本發(fā)明穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人多自由度電動(dòng)控制系統(tǒng)電路框圖。
[0026]圖2是本發(fā)明多自由度穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人電動(dòng)控制系統(tǒng)主控制器電路框圖。
[0027]圖3是本發(fā)明多自由度穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人電動(dòng)控制系統(tǒng)單關(guān)節(jié)控制器電路框圖。
[0028]圖4是本發(fā)明多自由度穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人電動(dòng)控制系統(tǒng)手杖檢測(cè)單元電路框圖。
[0029]圖5是本發(fā)明多自由度穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人電動(dòng)控制系統(tǒng)位姿檢測(cè)單元電路框圖。
[0030]圖6是本發(fā)明多自由度穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人電動(dòng)控制系統(tǒng)電源單元電路圖。
[0031]圖7是本發(fā)明多自由度穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人電動(dòng)控制系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器(加電機(jī)7)內(nèi)部框圖。
[0032]圖8是本發(fā)明多自由度穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人電動(dòng)控制系統(tǒng)各電路板關(guān)系圖。
[0033]圖9是本發(fā)明多自由度穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人電動(dòng)控制系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器基本原理圖。
[0034]圖10是本發(fā)明多自由度穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人電動(dòng)控制系統(tǒng)主控制器基本工作流程圖。
[0035]圖11是本發(fā)明多自由度穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人電動(dòng)控制系統(tǒng)關(guān)節(jié)控制器基本工作流程圖。
[0036]圖12是本發(fā)明多自由度穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人電動(dòng)控制系統(tǒng)電機(jī)控制流程圖。
五.【具體實(shí)施方式】
[0037]請(qǐng)參考圖1所示，配合參考圖8，本發(fā)明多自由度穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人電動(dòng)控制系統(tǒng)包括主控制器1、關(guān)節(jié)控制器2、手杖檢測(cè)單元3、位姿檢測(cè)單元4、電源單元5、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器6、電機(jī)7.[0038]主控制器I與關(guān)節(jié)控制器2雙向連接；主控制器I的輸入端與位姿檢測(cè)單元4連接。
[0039]關(guān)節(jié)控制器2與主控制器I和手杖檢測(cè)單元3雙向連接；關(guān)節(jié)控制器2的輸出端經(jīng)過(guò)隔離處理與電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器6連接；關(guān)節(jié)控制器的輸入端與位姿檢測(cè)單元4的輸出端直接連接；關(guān)節(jié)控制器2的輸入端產(chǎn)生的PWM(脈寬調(diào)制Pulse Width Modulation,簡(jiǎn)稱PWM)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器6輸入端經(jīng)過(guò)隔離處理間接連接；
[0040]電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器6的輸入端與關(guān)節(jié)控制器2的輸出端經(jīng)過(guò)隔離處理間接連接；電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的輸出端與電機(jī)7的輸入端連接，同時(shí)把電流信號(hào)傳回給關(guān)節(jié)控制器2。電機(jī)7上的速度傳感和位置傳感器采集的速度信號(hào)和位置信號(hào)也傳回關(guān)節(jié)控制器2。O
[0041]手杖檢測(cè)單元3與關(guān)節(jié)控制器2雙向連接；位姿檢測(cè)單元4輸出端與主控制器I和關(guān)節(jié)控制器2的輸出端相連；另外手杖檢測(cè)單元3和位姿檢測(cè)單元4都有獨(dú)立的電源進(jìn)行供電，并且都與其他模塊隔離。
[0042]電源單元5的輸入端連接36V電池。電源單元5輸出端分別與主控制器1、關(guān)節(jié)控制器2、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器6相連。電源單元5為主控制器I提供5V直流電源，為關(guān)節(jié)控制器2提供3.3V、5V、12V和36V直流電源，為電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器6提供12V和36V直流電源。
[0043]請(qǐng)參考圖2，配合參考圖1、圖8，多自由度穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人電動(dòng)控制系統(tǒng)主控制器內(nèi)部電路框圖包括高速處理器CPU和CAN通訊模塊Al。
[0044]高速微處理器CPU負(fù)責(zé)接收各個(gè)關(guān)節(jié)控制器2發(fā)送過(guò)來(lái)的關(guān)節(jié)狀態(tài)信息和位姿檢測(cè)單元4位姿信息，完成關(guān)于穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人整體運(yùn)動(dòng)和步態(tài)規(guī)劃的相關(guān)運(yùn)算，得到各個(gè)關(guān)節(jié)當(dāng)前的控制目標(biāo)和控制指令，并通過(guò)CAN通訊模塊Al傳遞給關(guān)節(jié)控制器2。另外狀態(tài)顯示界面，參數(shù)修改界面等人機(jī)交互任務(wù)也都由高速微處理器CPU負(fù)責(zé)。[0045]請(qǐng)參考圖3所示，配合參考圖1，多自由度穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人電動(dòng)控制系統(tǒng)關(guān)節(jié)控制器2內(nèi)部電路框圖包括微處理器CPU、CAN通訊模塊B1、無(wú)線通訊模塊B2、速度控制模塊B3、電流控制模塊B4、PWM信號(hào)生成電路B5、位置信號(hào)處理模塊B6、AD轉(zhuǎn)換電路B7、低電源電壓保護(hù)電路、限流保護(hù)電路B9、短路保護(hù)電路B10。
[0046]主控制器I產(chǎn)生的各個(gè)關(guān)節(jié)的控制目標(biāo)和控制指令通過(guò)關(guān)節(jié)控制器2的CAN通訊模塊BI進(jìn)入微處理器CPU，微處理器CPU根據(jù)接收到的指令同時(shí)結(jié)合手杖檢測(cè)單元3、位姿檢測(cè)單元4采集的信息以及位置信號(hào)、速度信號(hào)、電流信號(hào)等信息，按照預(yù)先設(shè)定的算法，經(jīng)過(guò)相應(yīng)處理，再將處理后的信號(hào)送給關(guān)節(jié)控制2內(nèi)的相應(yīng)的電路，到最后PWM信號(hào)生成電路B5生成6路PWM—PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5、PWM6。這6路信號(hào)經(jīng)過(guò)隔離處理后進(jìn)入電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器6。微處理器CPU與手杖檢測(cè)單元通過(guò)無(wú)線通訊模塊B2進(jìn)行雙向信號(hào)傳遞。從電機(jī)7的位置傳感器和速度傳感器發(fā)出的位置、速度反饋信息經(jīng)過(guò)位置處理模塊B6反饋到速度控制模塊B3，從電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器6發(fā)出的電流反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換電路B7進(jìn)入電流控制模塊B4，經(jīng)過(guò)速度控制模塊B3和電流控制模塊B4的處理來(lái)調(diào)整PWM的占空比，從而達(dá)到精確控制電機(jī)7的目的。另外關(guān)節(jié)控制器2中多種保護(hù)電路一低電源電壓保護(hù)電路B8、限流保護(hù)電路B9和短路保護(hù)電路B10。當(dāng)電源電壓很低，且持續(xù)一定的時(shí)間后，低電源電壓保護(hù)電路B9會(huì)使觸發(fā)微處理器CPU內(nèi)部的保護(hù)模塊，從而終止電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器6的輸出；限流保護(hù)電路B9或短路保護(hù)電路BlO也會(huì)觸發(fā)微處理器CPU的保護(hù)模塊，從而終止電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器6的輸出。
[0047]請(qǐng)參考圖4所示，多自由度穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人電動(dòng)控制系統(tǒng)手杖檢測(cè)單元3內(nèi)部電路框圖包括按鍵與傳感器Cl、整形濾波電路C2、手杖檢測(cè)單元CPU C3、無(wú)線通訊模塊C4和獨(dú)立電源模塊C5。
[0048]按鍵與傳感器Cl負(fù)載采集和檢測(cè)外界狀態(tài)信息，采集回來(lái)的信息經(jīng)過(guò)整形濾波電路C2后送進(jìn)手杖檢測(cè)單元CPU C3進(jìn)行處理判斷，再經(jīng)過(guò)編碼，之后經(jīng)無(wú)線通訊模塊C4發(fā)送到關(guān)節(jié)控制器2，同時(shí)無(wú)線通訊模塊C4接受關(guān)節(jié)控制器2的應(yīng)答指令。
[0049]請(qǐng)參考圖5所示，多自由度穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人電動(dòng)控制系統(tǒng)位姿檢測(cè)單元4內(nèi)部電路框圖包括位姿采集模塊D1、信號(hào)提取模塊D2、信號(hào)初步處理模塊D3、光電隔離模塊D4和獨(dú)立電源模塊D5。
[0050]位姿采集模塊Dl負(fù)責(zé)采集位姿信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)提取模塊D2，得到有用的位姿信號(hào)，這些信號(hào)在經(jīng)過(guò)信號(hào)初步處理模塊D3得到簡(jiǎn)化的位姿信號(hào)，這些簡(jiǎn)化的位姿信號(hào)經(jīng)過(guò)光電模塊D4傳輸?shù)街骺刂破鱅和關(guān)節(jié)控制器2上。
[0051]請(qǐng)參考圖6所示，配合參考圖8，多自由度穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人電動(dòng)控制系統(tǒng)電源單元5內(nèi)部電路框圖包括電源濾波模塊E1、電源保護(hù)模塊E2、隔離模塊E3、開(kāi)關(guān)電源模塊E4和穩(wěn)壓濾波模塊E5。
[0052]大容量電池36V電壓輸入到電源濾波模塊El進(jìn)行濾波，然后進(jìn)入電源保護(hù)模塊E2，之后進(jìn)入隔離模塊E3分成相互獨(dú)立的36V大功率模擬電源和36V小功率數(shù)字電源，其中36V大功率模擬電源直接進(jìn)入電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器5，進(jìn)而為電機(jī)供電。36V小功率數(shù)字電源進(jìn)入開(kāi)關(guān)電源模塊E4，分別產(chǎn)生3.3V、5V、12V的電源，送給各個(gè)數(shù)字電路模塊。
[0053]請(qǐng)參考圖7所示，配合參考圖8，多自由度穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人電動(dòng)控制系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器6內(nèi)部電路框圖包括專用伺服驅(qū)動(dòng)模塊F1、電流檢測(cè)模塊F2和散熱模塊。[0054]從關(guān)節(jié)控制器2輸出的6路PWM經(jīng)過(guò)隔離處理后輸出6路PWM’ -PWMl '、PWM2 '、PWM3 ; ,PWM4 ; ,PWM5 ; , PWM6 ;。這6路PWM’進(jìn)入專用伺服驅(qū)動(dòng)模塊Fl后驅(qū)動(dòng)電機(jī)7轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器6內(nèi)有電流檢測(cè)模塊F2和散熱模塊，電流檢測(cè)模塊F2通過(guò)采集驅(qū)動(dòng)器母線電流，并經(jīng)過(guò)處理得到電流信號(hào)。散熱模塊負(fù)責(zé)給驅(qū)動(dòng)器散熱，防止模塊過(guò)熱，影響正常工作。
[0055]在專用伺服驅(qū)動(dòng)模塊Fl內(nèi)部有驅(qū)動(dòng)管Tl、T2、T3、T4、T5、T6，二極管Dl、D2、D3、D4、D5、D6。Tl、T4 在一相；T2、Τ5 在一相；Τ3、Τ6 在一相。Tl、Τ2、Τ3、Τ4、Τ5、Τ6 的柵極分別接經(jīng)過(guò)光電耦合隔離模塊8輸出的6路PWlT，這6路PWlT控制11、了2、了3、了4、了5、丁6的導(dǎo)通和關(guān)閉。同一相的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)管不能同時(shí)導(dǎo)通。每一相均與電機(jī)7連接，控制電機(jī)7的轉(zhuǎn)動(dòng)。電流傳感器I串接在驅(qū)動(dòng)器的母線上，通過(guò)采集經(jīng)過(guò)母線的電流，最終通過(guò)電流檢測(cè)模塊F2得到電流信號(hào)，并反饋給關(guān)節(jié)控制器2。 [0056]本發(fā)明的電路作用原理是:本發(fā)明的主控制器1、關(guān)節(jié)控制器2分別采用高速微處理器CPU和微處理器CPU。設(shè)在主控制器I的高速微處理器CPU用于與需要大量數(shù)據(jù)運(yùn)算的算法--穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃和整體運(yùn)動(dòng)的相關(guān)運(yùn)算；設(shè)在關(guān)節(jié)控制器2的微處理器CPU主要用于各關(guān)節(jié)的信號(hào)檢測(cè)、控制算法、信息交互以及電路保護(hù)等功能。該微處理器CPU接收控制命令及反饋信號(hào)，在設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)應(yīng)用程序下完成諸如變速、位置控制、力矩調(diào)節(jié)、保持狀態(tài)等功能。
[0057]設(shè)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)器7的專用伺服驅(qū)動(dòng)模塊B6，用來(lái)專門(mén)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制策略。設(shè)在關(guān)節(jié)控制2和手杖檢測(cè)單元3之間的無(wú)線通訊模塊和設(shè)在位姿檢測(cè)單元4和其相連接模塊之間的光電隔離模塊，即實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的傳輸，又可將其他電路中的干擾信號(hào)隔離。設(shè)在電源單元5中的隔離模塊E3能使主控制器、關(guān)節(jié)控制器2與電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器6之間隔離了強(qiáng)電的干擾，這使的電路的隔離變得非常簡(jiǎn)單而且合理。在這種配置下，不僅進(jìn)一步降低了制造成本，而且電路的設(shè)計(jì)和制造將大大簡(jiǎn)化，可靠性進(jìn)一步提高。
[0058]多自由度穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人電動(dòng)控制系統(tǒng)軟件主要包括:
[0059]主控制器I上軟件部分，其中包括諸如人機(jī)交互界面、步態(tài)規(guī)劃模塊、綜合信息處理模塊、通訊模塊等
[0060]關(guān)節(jié)控制器2上軟件部分，其中包括諸如控制算法模塊、傳感器信號(hào)采集模塊、軟件保護(hù)模塊、通訊模塊等、
[0061]請(qǐng)參見(jiàn)圖10所示，本發(fā)明多自由度穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人電動(dòng)控制系統(tǒng)主控制器基本工作流程圖。主控制器I上電之后，系統(tǒng)初始化，之后接收各關(guān)節(jié)控制器的狀態(tài)信息，同時(shí)接收人機(jī)交互界面的參數(shù)，再綜合位姿信息進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃、步態(tài)修正和運(yùn)動(dòng)綜合，得出的數(shù)據(jù)發(fā)送給各關(guān)節(jié)控制器用于運(yùn)動(dòng)控制，同時(shí)人機(jī)交互界面顯示得到的步態(tài)數(shù)據(jù)和其他狀態(tài)信息。
[0062]請(qǐng)參見(jiàn)圖11所示，本發(fā)明多自由度穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人電動(dòng)控制系統(tǒng)關(guān)節(jié)控制器基本工作流程圖。關(guān)節(jié)控制器2上電后，系統(tǒng)初始化，之后查詢各傳感器的狀態(tài)，確定控制模式、初始狀態(tài)等，隨后等待接受主控制器命令，接收到主控制命令后，按照所收到的命令，控制電機(jī)按照指令運(yùn)動(dòng)，同時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)各傳感器的狀態(tài)，實(shí)時(shí)修正運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，之后判斷是否達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)位置。如果是的話，保持現(xiàn)在狀態(tài)，等待主控制下一次的命令；如果不是的話，繼續(xù)運(yùn)動(dòng)和檢測(cè)各傳感器的狀態(tài)，再次修正運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。[0063]請(qǐng)參見(jiàn)圖12所示，本發(fā)明多自由度穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人電動(dòng)控制系統(tǒng)電機(jī)控制流程圖。通過(guò)檢測(cè)當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)位置、電機(jī)轉(zhuǎn)速和通過(guò)電機(jī)的電流，實(shí)現(xiàn)了位置、速度、電流的三環(huán)控制，并且不同時(shí)時(shí)刻控制環(huán)也在實(shí)時(shí)變化，以適應(yīng)不同狀態(tài)下的控制需要。
[0064]綜上所述，本發(fā)明多自由度穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人電動(dòng)控制系統(tǒng)采用大功率電源和小功率電源、模擬電源和數(shù)字電源隔離耦合，能提高系統(tǒng)通訊的安全性和運(yùn)行的可靠性；各部分采用模塊化設(shè)計(jì)思想，功能分割清楚并且便于調(diào)試，修改、維修和更換，簡(jiǎn)化了程序編寫(xiě)；使用安全方便，整機(jī)小巧，便于安裝攜帶和擴(kuò)展，非常適合多自由度穿戴式外骨骼機(jī)器人控制與驅(qū)動(dòng)。
【權(quán)利要求】
1.一種多自由度穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人電動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括主控制器1、關(guān)節(jié)控制器2、手杖檢測(cè)單元3、位姿檢測(cè)單元4、電源單元5、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器6、電機(jī)7。
2.如權(quán)利要求1所述的一種多自由度穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人電動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的主控制器I由高速微處理器CPU、CAN通訊模塊Al組成。高速微處理器CPU通過(guò)CAN通訊模塊Al實(shí)現(xiàn)與關(guān)節(jié)控制2間的雙向數(shù)據(jù)通訊，并且直接與位姿檢測(cè)單元相連，實(shí)現(xiàn)位姿單元到主控制器的單向數(shù)據(jù)通訊。主控制器I分別與各關(guān)節(jié)控制器2、位姿檢測(cè)單元4和電源單元5相連。其中高速CPU負(fù)責(zé)接收各個(gè)關(guān)節(jié)控制器發(fā)送過(guò)來(lái)的信息和位姿檢測(cè)單元4數(shù)據(jù)，完成關(guān)于穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃整體和運(yùn)動(dòng)綜合的相關(guān)運(yùn)算，并通過(guò)CAN通訊模塊Al傳遞給關(guān)節(jié)控制器2.另外人機(jī)交互任務(wù)也由其完成。
3.如權(quán)利要求1所述的一種多自由度穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人電動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的關(guān)節(jié)控制器2由微處理器CPU、CAN通訊模塊B1、無(wú)線通訊模塊B2、速度控制模塊B3、電流控制模塊B4、PWM信號(hào)生成電路B5、位置信號(hào)處理模塊B6、AD轉(zhuǎn)換電路B7、低電源電壓保護(hù)電路B8、限流保護(hù)電路B9、短路保護(hù)電路BlO組成。微處理器CPU由通過(guò)CAN通訊模塊BI實(shí)現(xiàn)與主控制器I間的雙向數(shù)據(jù)通訊，通過(guò)無(wú)線通訊模塊B2實(shí)現(xiàn)與手杖檢測(cè)單元3間的雙向數(shù)據(jù)通訊，通過(guò)速度控制模塊B3、電流控制模塊B4和PWM信號(hào)生成電路B5產(chǎn)生對(duì)電機(jī)7的控制信號(hào)，通過(guò)低電源電壓保護(hù)模塊B8、限流保護(hù)模塊B9、短路保護(hù)電路BlO采集外圍可能產(chǎn)生保護(hù)的原始信號(hào)，并最終產(chǎn)生相應(yīng)的保護(hù)信號(hào)，通過(guò)位置信號(hào)處理模塊B6和AD轉(zhuǎn)換電路B7處理位置、速度和電流信號(hào)，并且直接與位姿檢測(cè)單元4相連。關(guān)節(jié)控制器2分別主控制器1、手杖檢測(cè)單元3、位姿檢測(cè)單元4、電源單元6、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器6相連。其中微處理器CPU通過(guò)CAN通訊模塊BI接收主控制器I的目標(biāo)信息，并根據(jù)目標(biāo)信息和外接的各種傳感器采集的信息，進(jìn)行綜合運(yùn)算，完成對(duì)后續(xù)電機(jī)的位置、速度、電流的控制，達(dá)到控制目標(biāo)。另外在整個(gè)實(shí)時(shí)期間，還通過(guò)電壓保護(hù)電路B8、限流保護(hù)電路B9、短路保護(hù)電路BlO時(shí)刻對(duì)所控制電路進(jìn)行檢測(cè)保護(hù)。·
4.如權(quán)利要求1所述的一種多自由度穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人電動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的手杖檢測(cè)單元3由按鍵與傳感器Cl、整形濾波電路C2、手杖檢測(cè)單元CPU C3、無(wú)線通訊模塊C4和獨(dú)立電源模塊C5組成。按鍵與傳感器Cl經(jīng)過(guò)整形濾波電路C2連接到手杖檢測(cè)單元CPU C3上，手杖檢測(cè)單元CPU C3通過(guò)無(wú)線通訊模塊C4實(shí)現(xiàn)與關(guān)節(jié)控制器2間的雙向通訊，獨(dú)立電源模塊C5分別給其他模塊供電。手杖檢測(cè)單元3與關(guān)節(jié)控制器2無(wú)線相連。其中手杖檢測(cè)單元CPU C3是負(fù)責(zé)接收傳感器信息，并經(jīng)過(guò)處理之后進(jìn)行編碼，之后經(jīng)過(guò)無(wú)線通訊模塊C4發(fā)送給關(guān)節(jié)控制器I。手杖檢測(cè)單元3獨(dú)立于其他硬件，安裝在自由活動(dòng)的手杖之上，通過(guò)無(wú)線通訊模塊C4與其他部分相連。
5.如權(quán)利要求1所述的一種多自由度穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人電動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的位姿檢測(cè)單元4由位姿采集模塊Dl、信號(hào)提取模塊D2、信號(hào)初步處理模塊D3、光電隔離模塊D4和獨(dú)立電源模塊D5組成。位姿采集信號(hào)Dl依次經(jīng)過(guò)信號(hào)提取模塊D2、信號(hào)初步處理模塊D3和光電隔離模塊D4與主控制器I和關(guān)節(jié)控制器2相連，獨(dú)立電源模塊分別給其他各模塊供電。其中位姿采集模塊Dl采集位姿信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)提取模塊D2得到有用的位姿信號(hào)，這些再經(jīng)過(guò)信號(hào)初步處理模塊D3得到簡(jiǎn)化的信號(hào)，之后通過(guò)光電隔離模塊D4傳輸?shù)街骺刂破鱅和關(guān)節(jié)控制器2上。
6.如權(quán)利要求1所述的一種多自由度穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人電動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，電源單元5由電源濾波模塊El、電源保護(hù)模塊E2、隔離模塊E3、開(kāi)關(guān)電源模塊E4和穩(wěn)壓濾波模塊E5組成。其中電源濾波模塊El外接36V電源，后接電源保護(hù)模塊E2，再經(jīng)隔離模塊E3產(chǎn)生36V功率電源和連接開(kāi)關(guān)電源模塊E4的數(shù)字電源，開(kāi)關(guān)電源模塊E4產(chǎn)生的各種電壓經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓濾波模塊E5后對(duì)外輸出，這里的完成了大功率電源和小功率電源的隔離、數(shù)字電源和模擬電源的隔離。
7.如權(quán)利要求1所述的一種多自由度穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人電動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器6主要由專用伺服驅(qū)動(dòng)模塊Fl和電流檢測(cè)模塊F2組成。專門(mén)伺服驅(qū)動(dòng)模塊B6的輸入端與關(guān)節(jié)控制器2的PWM信號(hào)生成電路B5經(jīng)過(guò)隔離處理后相連，輸出經(jīng)過(guò)電流檢測(cè)模塊F2連接到電機(jī)7驅(qū)動(dòng)輸入端，電流檢測(cè)模塊F2的輸出端與關(guān)節(jié)控制器2的AD轉(zhuǎn)換電路B7相連。電機(jī)的轉(zhuǎn)軸同軸減速前端裝有速度傳感器，同軸減速后端裝有位置傳感器，兩者的輸出端都連接到關(guān)節(jié)控制器2的位置信號(hào)處理模塊B6相連。其中專用伺服驅(qū)動(dòng)模塊Fl接收關(guān)節(jié)控制器I的控制信號(hào)，進(jìn)行功率放大，再通過(guò)電流檢測(cè)模塊F2去控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)，由于功率較大，散熱模塊加快專用伺服驅(qū)動(dòng)模塊Fl的散熱。
【文檔編號(hào)】B25J13/08GK103586867SQ201310556320
【公開(kāi)日】2014年2月19日 申請(qǐng)日期:2013年11月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月11日
【發(fā)明者】帥梅, 王戰(zhàn)斌, 田偉, 郭險(xiǎn)峰, 劉亞軍, 余興武 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué), 北京積水潭醫(yī)院, 北京市自動(dòng)化技術(shù)研究院