基于上肢外骨骼助力機器人的嵌入式控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于上肢外骨骼助力機器人的嵌入式控制系統(tǒng)。主要由兩個結(jié)構(gòu)相同的單臂部件和背部支架組成，單臂部件從下至上依次由肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)構(gòu)成的上肢外骨骼助力機器人。還包括ARM微處理器模塊、DSP微控制器模塊、ARM信號調(diào)理模塊、DSP信號調(diào)理模塊、電源模塊、兩個操作員運動意圖檢測傳感器、四個角位移傳感器和四個結(jié)構(gòu)相同的驅(qū)動單元；ARM微處理器模塊與DSP微控制器模塊通過CAN總線相連，四個驅(qū)動單元與外骨骼機構(gòu)相連并驅(qū)動外骨骼機構(gòu)運動。本發(fā)明功能完備、易于開發(fā)和維護的外骨骼助力機器人嵌入式控制平臺，實時響應(yīng)速度快、實時多任務(wù)性能高、驅(qū)動能力強、功耗低、通用可擴展性好、小型化等特點。
【專利說明】基于上肢外骨骼助力機器人的嵌入式控制系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及外骨骼機器人，尤其是涉及一種基于上肢外骨骼助力機器人的嵌入式控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]外骨骼機器人技術(shù)實質(zhì)上可以理解為一種可穿戴式機器人技術(shù)，模仿生物界的外骨骼開發(fā)一種新型機電一體化裝置，可穿戴在操作者的身體外部，為操作者提供諸如保護、身體支撐、運動輔助等功能。同時結(jié)合了傳感、控制、信息融合、移動計算等機器人技術(shù)，將人類的智力和機器人的“體力”結(jié)合在一起，使得外骨骼能夠在操作者參與的控制模式下完成僅靠操作者自身能力無法獨立完成的任務(wù)。因此，將人的智能與機器人所具有的強大機械能量結(jié)合起來，綜合為一個系統(tǒng)，將會帶來前所未有的變化，這便是外骨骼助力機器人的設(shè)計思想。
[0003]外骨骼技術(shù)的研究始于I960年的美國，最早的研究成果是美國通用公司研發(fā)的Hardiman外骨骼系統(tǒng)，研究的首要目的是緩解士兵長距離負重行軍所引起的疲勞。雖然Hardiman的研究最終停止，但是它對后來外骨骼技術(shù)的研究與發(fā)展起到了重要的指導(dǎo)作用。進入21世紀后，由于能源技術(shù)、微驅(qū)動技術(shù)、材料科學、信息技術(shù)的發(fā)展，各種類型的外骨骼如雨后春筍般浮現(xiàn)，外骨骼也逐步向?qū)嵱没较虬l(fā)展。
[0004]在控制方面，目前世界上比較主流先進的控制方法和思路很多，例如主從控制、肌電控制、ZMP控制、直接力反饋控制等等，而這些控制往往涉及到復(fù)雜的控制算法，如PID控制算法、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法和滑?？刂扑惴ǖ龋枰M行大量的數(shù)據(jù)計算和傳輸，這就對采用普通單片機的嵌入式控制平臺造成沉重的工作負擔，從而進一步影響電路執(zhí)行效率以及最終的控制效果。而采用通用計算機作為核心的控制平臺，雖然具有強大的計算和控制能力，但其體積和功耗較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述【背景技術(shù)】中存在的問題和不足，本發(fā)明的目的是提供一種外骨骼助力機器人嵌入式控制系統(tǒng)，可以優(yōu)化外骨骼助力機器人控制系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)，完善整個控制系統(tǒng)的功能，降低開發(fā)和維護難度，提高整個控制系統(tǒng)的執(zhí)行效率，改善控制系統(tǒng)的控制效
果O
[0006]為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
本發(fā)明主要兩個結(jié)構(gòu)相同的單臂部件和背部支架組成，單臂部件從下至上依次由肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)構(gòu)成的上肢外骨骼助力機器人；其特征在于:還包括ARM微處理器模塊、DSP微控制器模塊、ARM信號調(diào)理模塊、DSP信號調(diào)理模塊、電源模塊、兩個操作員運動意圖檢測傳感器、四個角位移傳感器和四個結(jié)構(gòu)相同的驅(qū)動單元；ARM微處理器模塊與DSP微控制器模塊通過CAN總線相連，上肢外骨骼助力機器人上的兩個操作員運動意圖檢測傳感器經(jīng)ARM信號調(diào)理模塊與ARM微處理器模塊相連，上肢外骨骼助力機器人上的四個角位移傳感器經(jīng)DSP信號調(diào)理模塊與DSP微控制器模塊相連，四個結(jié)構(gòu)相同的驅(qū)動單元，均包括氣動肌肉、氣壓傳感器和兩個氣動高速開關(guān)閥，每個驅(qū)動單元中的氣動肌肉的一端分別與上肢外骨骼助力機器人相連，每個驅(qū)動單元中的氣動肌肉的另一端分別與各自氣壓傳感器和各自兩個氣動高速開關(guān)閥相連，每個驅(qū)動單元中的氣動高速開關(guān)閥分別與DSP信號調(diào)理模塊相連，每個驅(qū)動單元中的氣壓傳感器分別與DSP信號調(diào)理模塊相連，電源模塊分別與ARM微處理器模塊、DSP微控制器模塊、ARM信號調(diào)理模塊和DSP信號調(diào)理模塊連接。
[0007]所述ARM微處理器模塊，包括ARM微處理器、RS232串口、RJ45網(wǎng)口、CAN總線接口、USB接口和AD輸入接口 I ;RS232串口用于調(diào)試時PC機與ARM微處理器模塊之間的通訊，RJ45網(wǎng)口用于將PC機上的文件系統(tǒng)掛載到ARM微處理器模塊上，CAN總線接口用于與DSP微控制器模塊進行通訊，USB接口用于將內(nèi)核與文件系統(tǒng)的鏡像文件下載到ARM微處理器模塊上，上肢外骨骼助力機器人上的操作員運動意圖檢測傳感器獲得的模擬量信號經(jīng)過ARM信號調(diào)理模塊進入AD輸入接口 1，再進入ARM微處理器進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。
[0008]所述DSP微控制器模塊，主要由DSP微控制器、JTAG調(diào)試接口、CAN總線接口、AD輸入接口 2和PWM輸出接口組成；JTAG調(diào)試接口用于現(xiàn)場調(diào)試和程序下載，CAN總線接口用于與ARM微處理器模塊進行通訊，信號從DSP微控制器出發(fā)，經(jīng)過DSP信號調(diào)理模塊，DSP信號調(diào)理模塊輸出的模擬量信號通過PWM輸出接口控制氣動高速開關(guān)閥，進而驅(qū)動氣動肌肉使上肢外骨骼助力機器人運動，上肢外骨骼助力機器人上的氣壓傳感器和角位移傳感器獲得的模擬量信號經(jīng)過DSP信號調(diào)理模塊進入AD輸入接口 2，再進入DSP微控制器進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。
[0009]所述電源模塊，由外部電源將220V交流電轉(zhuǎn)換為24V直流電，24V直流電為氣動高速開關(guān)閥和氣壓傳感器供電；24V直流電轉(zhuǎn)換為+5V直流電和±5V直流電，+5V直流電為ARM微處理器模塊、DSP微控制器模塊和角位移傳感器供電，±5V直流電為操作員運動意圖檢測傳感器供電。
[0010]所述ARM信號調(diào)理模塊，主要包括AD輸出接口 1、操作員運動意圖檢測傳感器信號調(diào)理電路和操作員運動意圖檢測傳感器接口，所述AD輸出接口 I和所述ARM微控制器模塊的AD輸入接口 I相連，上肢外骨骼助力機器人上的操作員運動意圖檢測傳感器獲得的模擬量信號經(jīng)過所述操作員運動意圖檢測傳感器信號調(diào)理電路，由AD輸出接口 I進入所述ARM微處理器模塊的AD輸入接口 I，AD輸入接口 I與ARM微控制器內(nèi)部的AD功能模塊相連，所述模擬量信號經(jīng)過AD輸入接口 I轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號進入ARM微控制器。
[0011]所述操作員運動意圖檢測傳感器信號調(diào)理電路，主要由降壓電路、壓控電壓源二階低通濾波電路和電壓跟隨器組成，操作員運動意圖檢測傳感器獲得的模擬量信號在進入ARM微處理器模塊的AD輸入接口 I之前，首先經(jīng)過降壓電路后進入壓控電壓源二階低通濾波電路，然后經(jīng)過電壓跟隨器，最后由所述ARM信號調(diào)理模塊的AD輸出接口 I進入ARM微處理器模塊的AD輸入接口 I。
[0012]所述DSP信號調(diào)理模塊，主要包括AD輸出接口 2、氣壓傳感器信號調(diào)理電路、氣壓傳感器接口、角位移傳感器信號調(diào)理電路、角位移傳感器接口、PWM輸入接口、氣動高速開關(guān)閥驅(qū)動電路和氣動高速開關(guān)閥接口 ；所述AD輸出接口 2與所述DSP微控制器模塊的AD輸入接口 2相連，上肢外骨骼助力機器人上的氣壓傳感器與角位移傳感器獲得的模擬量信號分別經(jīng)過所述氣壓傳感器信號調(diào)理電路與角位移傳感器信號調(diào)理電路，由AD輸出接口 2進入所述DSP微控制器模塊的AD輸入接口 2，AD輸入接口 2與DSP微控制器內(nèi)部的AD功能模塊相連，所述模擬量信號經(jīng)過AD輸入接口 2轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號進入DSP微控制器；所述PWM輸入接口與所述DSP微控制器模塊的PWM輸出接口相連，PWM輸出接口與DSP微控制器內(nèi)部的PWM功能模塊相連，數(shù)字量信號經(jīng)過PWM功能模塊轉(zhuǎn)化為模擬量信號由PWM輸入接口進入氣動高速開關(guān)閥驅(qū)動電路，所述氣動高速開關(guān)閥驅(qū)動電路將模擬信號隔離放大后控制氣動高速開關(guān)閥，進而驅(qū)動氣動肌肉使上肢外骨骼助力機器人運動。
[0013]所述氣動高速開關(guān)閥驅(qū)動電路，主要由光耦隔離芯片PC817和場效應(yīng)管IRF740N組成，信號從DSP微控制器模塊的PWM輸出接口出發(fā)，經(jīng)過光耦隔離芯片PC817，接著由場效應(yīng)管IRF740N通過所述DSP信號調(diào)理模塊的PWM輸入接口驅(qū)動氣動高速開關(guān)閥進行動作。
[0014]所述氣壓傳感器信號調(diào)理電路，主要由電流電壓轉(zhuǎn)換電路、壓控電壓源二階低通濾波電路和電壓跟隨器組成，氣壓傳感器獲得的模擬量信號在進入DSP微控制器模塊的AD輸入接口 2之前，首先經(jīng)過電流電壓轉(zhuǎn)換電路后進入壓控電壓源二階低通濾波電路，然后經(jīng)過電壓跟隨器，最后由所述DSP信號調(diào)理模塊的AD輸出接口 2進入DSP微控制器模塊的AD輸入接口 2。
[0015]所述角位移傳感器信號調(diào)理電路，主要由降壓電路、壓控電壓源二階低通濾波電路和電壓跟隨器組成，角位移傳感器獲得的模擬量信號在進入DSP微控制器模塊的AD輸入接口 2之前，首先經(jīng)過降壓電路后進入壓控電壓源二階低通濾波電路，然后經(jīng)過電壓跟隨器，最后由所述DSP信號調(diào)理模塊的AD輸出接口 2進入DSP微控制器模塊的AD輸入接口2。
[0016]與【背景技術(shù)】相比，【背景技術(shù)】具有的有益效果是:
采用本發(fā)明外骨骼助力機器人嵌入式控制平臺，可以優(yōu)化外骨骼助力機器人控制系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)，完善整個控制系統(tǒng)的功能，降低開發(fā)和維護難度，提高整個控制系統(tǒng)的執(zhí)行效率，改善控制系統(tǒng)的控制效果。另外，本外骨骼助力機器人嵌入式控制平臺克服了傳統(tǒng)單片機、DSP或者PC+單片機/DSP在速度、處理能力、體積、方便性、功耗、人機接口以及復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)接口等方面的不足，保證了硬件系統(tǒng)具有良好的擴展性、實時性、靈活性、低功耗等特點，既發(fā)揮了 ARM微處理器高穩(wěn)定性能和強大的任務(wù)管理的優(yōu)點，又發(fā)揮了 DSP微控制器高速交換數(shù)據(jù)和快速處理數(shù)字信號的能力。
[0017]本發(fā)明是一套結(jié)構(gòu)簡單、功能完備、易于開發(fā)和維護的上肢外骨骼助力機器人嵌入式控制系統(tǒng)，它具有魯棒性高、實時響應(yīng)速度快、實時多任務(wù)性能高、驅(qū)動能力強、功耗低、通用可擴展性好、小型化等特點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2是本發(fā)明的ARM微處理器模塊的邏輯框圖。
[0020]圖3是本發(fā)明的DSP微控制器模塊的邏輯框圖。
[0021]圖4是本發(fā)明的電源模塊的邏輯框圖。
[0022]圖5是本發(fā)明的ARM信號調(diào)理模塊的邏輯框圖。
[0023]圖6是本發(fā)明的操作員運動意圖檢測傳感器信號調(diào)理電路圖。
[0024]圖7是本發(fā)明的DSP信號調(diào)理模塊的邏輯框圖。[0025]圖8是本發(fā)明的氣動高速開關(guān)閥驅(qū)動電路圖。
[0026]圖9是本發(fā)明的氣壓傳感器信號調(diào)理電路圖。
[0027]圖10是本發(fā)明的角位移傳感器信號調(diào)理電路圖。
【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0029]如圖1所示，本發(fā)明的一種外骨骼助力機器人嵌入式控制平臺，主要由兩個結(jié)構(gòu)相同的單臂部件和背部支架組成，單臂部件從下至上依次由肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)構(gòu)成的上肢外骨骼助力機器人；其特征在于:還包括ARM微處理器模塊、DSP微控制器模塊、ARM信號調(diào)理模塊、DSP信號調(diào)理模塊、電源模塊、兩個操作員運動意圖檢測傳感器、四個角位移傳感器和四個結(jié)構(gòu)相同的驅(qū)動單元；ARM微處理器模塊與DSP微控制器模塊通過CAN總線相連，上肢外骨骼助力機器人上的兩個操作員運動意圖檢測傳感器經(jīng)ARM信號調(diào)理模塊與ARM微處理器模塊相連，上肢外骨骼助力機器人上的四個角位移傳感器經(jīng)DSP信號調(diào)理模塊與DSP微控制器模塊相連，四個結(jié)構(gòu)相同的驅(qū)動單元，均包括氣動肌肉、氣壓傳感器和兩個氣動高速開關(guān)閥，每個驅(qū)動單元中的氣動肌肉的一端分別與上肢外骨骼助力機器人相連，每個驅(qū)動單元中的氣動肌肉的另一端分別與各自氣壓傳感器和各自兩個氣動高速開關(guān)閥相連，每個驅(qū)動單元中的氣動高速開關(guān)閥分別與DSP信號調(diào)理模塊相連，每個驅(qū)動單元中的氣壓傳感器分別與DSP信號調(diào)理模塊相連，電源模塊分別與ARM微處理器模塊、DSP微控制器模塊、ARM信號調(diào)理模塊和DSP信號調(diào)理模塊連接。
[0030]如圖2所示的是ARM微處理器模塊的邏輯框圖。ARM微處理器模塊，包括ARM微處理器、RS232串口、RJ45網(wǎng)口、CAN總線接口、USB接口和AD輸入接口 I ;RS232串口用于調(diào)試時PC機與ARM微處理器模塊之間的通訊，RJ45網(wǎng)口用于將PC機上的文件系統(tǒng)掛載到ARM微處理器模塊上，CAN總線接口用于與DSP微控制器模塊進行通訊，USB接口用于將內(nèi)核與文件系統(tǒng)的鏡像文件下載到ARM微處理器模塊上，上肢外骨骼助力機器人上的操作員運動意圖檢測傳感器獲得的模擬量信號經(jīng)過ARM信號調(diào)理模塊進入AD輸入接口 1，再進入ARM微處理器進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。
[0031 ] 如圖3所示的是DSP微控制器模塊的邏輯框圖。DSP微控制器模塊，主要由DSP微控制器、JTAG調(diào)試接口、CAN總線接口、AD輸入接口 2和PWM輸出接口組成；JTAG調(diào)試接口用于現(xiàn)場調(diào)試和程序下載，CAN總線接口用于與ARM微處理器模塊進行通訊，信號從DSP微控制器出發(fā)，經(jīng)過DSP信號調(diào)理模塊，DSP信號調(diào)理模塊輸出的模擬量信號通過PWM輸出接口控制氣動高速開關(guān)閥，進而驅(qū)動氣動肌肉使上肢外骨骼助力機器人運動，上肢外骨骼助力機器人上的氣壓傳感器和角位移傳感器獲得的模擬量信號經(jīng)過DSP信號調(diào)理模塊進入AD輸入接口 2，再進入DSP微控制器進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。
[0032]如圖4所示的是電源模塊的邏輯框圖。電源模塊由外部電源將220V交流電轉(zhuǎn)換為24V直流電，24V直流電為氣動高速開關(guān)閥和氣壓傳感器供電；24V直流電轉(zhuǎn)換為+5V直流電和±5V直流電，+5V直流電為ARM微處理器模塊、DSP微控制器模塊和角位移傳感器供電，±5V直流電為操作員運動意圖檢測傳感器供電。
[0033]如圖5所示的是ARM信號調(diào)理模塊的邏輯框圖。ARM信號調(diào)理模塊，主要包括AD輸出接口 1、操作員運動意圖檢測傳感器信號調(diào)理電路和操作員運動意圖檢測傳感器接口，所述AD輸出接口 I和所述ARM微控制器模塊的AD輸入接口 I相連，上肢外骨骼助力機器人上的操作員運動意圖檢測傳感器獲得的模擬量信號經(jīng)過所述操作員運動意圖檢測傳感器信號調(diào)理電路，由AD輸出接口 I進入所述ARM微處理器模塊的AD輸入接口 1，AD輸入接口 I與ARM微控制器內(nèi)部的AD功能模塊相連，所述模擬量信號經(jīng)過AD輸入接口 I轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號進入ARM微控制器。
[0034]如圖6所示的是操作員運動意圖檢測傳感器信號調(diào)理電路圖。操作員運動意圖檢測傳感器信號調(diào)理電路主要由降壓電路、壓控電壓源二階低通濾波電路和電壓跟隨器組成，操作員運動意圖檢測傳感器獲得的模擬量信號在進入ARM微處理器模塊的AD輸入接口I之前，首先經(jīng)過降壓電路后進入壓控電壓源二階低通濾波電路，然后經(jīng)過電壓跟隨器，最后由所述ARM信號調(diào)理模塊的AD輸出接口 I進入ARM微處理器模塊的AD輸入接口 I。具體實現(xiàn)方式詳見圖6。
[0035]如圖7所示的是DSP信號調(diào)理模塊的邏輯框圖。DSP信號調(diào)理模塊，主要包括AD輸出接口 2、氣壓傳感器信號調(diào)理電路、氣壓傳感器接口、角位移傳感器信號調(diào)理電路、角位移傳感器接口、PWM輸入接口、氣動高速開關(guān)閥驅(qū)動電路和氣動高速開關(guān)閥接口 ；所述AD輸出接口 2與所述DSP微控制器模塊的AD輸入接口 2相連，上肢外骨骼助力機器人上的氣壓傳感器與角位移傳感器獲得的模擬量信號分別經(jīng)過所述氣壓傳感器信號調(diào)理電路與角位移傳感器信號調(diào)理電路，由AD輸出接口 2進入所述DSP微控制器模塊的AD輸入接口 2，AD輸入接口 2與DSP微控制器內(nèi)部的AD功能模塊相連，所述模擬量信號經(jīng)過AD輸入接口 2轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號進入DSP微控制器；所述PWM輸入接口與所述DSP微控制器模塊的PWM輸出接口相連，PWM輸出接口與DSP微控制器內(nèi)部的PWM功能模塊相連，數(shù)字量信號經(jīng)過PWM功能模塊轉(zhuǎn)化為模擬量信號由PWM輸入接口進入氣動高速開關(guān)閥驅(qū)動電路，所述氣動高速開關(guān)閥驅(qū)動電路將模擬信號隔離放大后控制氣動高速開關(guān)閥，進而驅(qū)動氣動肌肉使上肢外骨骼助力機器人運動。
[0036]如圖8所示的是氣動高速開關(guān)閥驅(qū)動電路圖。氣動高速開關(guān)閥驅(qū)動電路主要由光耦隔離芯片PC817和場效應(yīng)管IRF740N組成，信號從DSP微控制器模塊的PWM輸出接口出發(fā)，經(jīng)過光耦隔離芯片PC817，接著由場效應(yīng)管IRF740N通過所述DSP信號調(diào)理模塊的PWM輸入接口驅(qū)動氣動高速開關(guān)閥進行動作。具體實現(xiàn)方式詳見圖8。
[0037]如圖9所示的是氣壓傳感器信號調(diào)理電路圖。氣壓傳感器信號調(diào)理電路主要由電流電壓轉(zhuǎn)換電路、壓控電壓源二階低通濾波電路和電壓跟隨器組成，氣壓傳感器獲得的模擬量信號在進入DSP微控制器模塊的AD輸入接口 2之前，首先經(jīng)過電流電壓轉(zhuǎn)換電路后進入壓控電壓源二階低通濾波電路，然后經(jīng)過電壓跟隨器，最后由所述DSP信號調(diào)理模塊的AD輸出接口 2進入DSP微控制器模塊的AD輸入接口 2。具體實現(xiàn)方式詳見圖9。
[0038]如圖10所示的是角位移傳感器信號調(diào)理電路圖。角位移傳感器信號調(diào)理電路主要由降壓電路、壓控電壓源二階低通濾波電路和電壓跟隨器組成，角位移傳感器獲得的模擬量信號在進入DSP微控制器模塊的AD輸入接口 2之前，首先經(jīng)過降壓電路后進入壓控電壓源二階低通濾波電路，然后經(jīng)過電壓跟隨器，最后由所述DSP信號調(diào)理模塊的AD輸出接口 2進入DSP微控制器模塊的AD輸入接口 2。具體實現(xiàn)方式詳見圖10。
[0039]本發(fā)明具體實施過程:
上位機ARM微處理器模塊主要負責系統(tǒng)的初始化、組織管理、任務(wù)規(guī)劃、任務(wù)調(diào)度、操作員運動意圖檢測傳感器信號的采集以及與下位機DSP微控制器模塊的通訊任務(wù)等。ARM微處理器模塊上運行有實時操作系統(tǒng)(Linux)，負責多任務(wù)的調(diào)度和任務(wù)的執(zhí)行，并通過CAN總線向下位機DSP微控制器模塊發(fā)送有特定數(shù)據(jù)格式的控制指令和控制參數(shù)。同時ARM微處理器模塊還接受下位機DSP微控制器模塊返回的上肢外骨骼助力機器人各關(guān)節(jié)的運動狀態(tài)、位置參數(shù)、姿態(tài)等相關(guān)參數(shù)。上位機ARM微處理器模塊將這些接收到的數(shù)據(jù)進行處理，結(jié)合減小人類的負重期望對上肢外骨骼助力機器人的各個氣動高速開關(guān)閥給出相應(yīng)的控制指令，保證人類承受的重量在允許的偏差范圍內(nèi)保持一致，從而達到預(yù)定控制的目標。下位機DSP微控制器模塊負責接收來自上位機的控制指令和控制參數(shù)，按照規(guī)定的協(xié)議將數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，結(jié)合固化在DSP微控制器模塊中的運動控制算法得出要發(fā)送給各電磁閥的控制參數(shù)。DSP微控制器模塊在執(zhí)行運動控制指令的同時還要實時讀取上肢外骨骼助力機器人各驅(qū)動關(guān)節(jié)的實際位置、狀態(tài)信息，并將這些信息實時反饋給上位機ARM微處理器模塊，與上位機進行信息交換，以便上位機根據(jù)當前的運動狀態(tài)和各關(guān)節(jié)的位姿決策下一步的運動指令和運動參數(shù)。
[0040]上述【具體實施方式】用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)，對本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于上肢外骨骼助力機器人的嵌入式控制系統(tǒng)，主要由兩個結(jié)構(gòu)相同的單臂部件和背部支架組成，單臂部件從下至上依次由肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)構(gòu)成的上肢外骨骼助力機器人；其特征在于:還包括ARM微處理器模塊、DSP微控制器模塊、ARM信號調(diào)理模塊、DSP信號調(diào)理模塊、電源模塊、兩個操作員運動意圖檢測傳感器、四個角位移傳感器和四個結(jié)構(gòu)相同的驅(qū)動單元；ARM微處理器模塊與DSP微控制器模塊通過CAN總線相連，上肢外骨骼助力機器人上的兩個操作員運動意圖檢測傳感器經(jīng)ARM信號調(diào)理模塊與ARM微處理器模塊相連，上肢外骨骼助力機器人上的四個角位移傳感器經(jīng)DSP信號調(diào)理模塊與DSP微控制器模塊相連，四個結(jié)構(gòu)相同的驅(qū)動單元，均包括氣動肌肉、氣壓傳感器和兩個氣動高速開關(guān)閥，每個驅(qū)動單元中的氣動肌肉的一端分別與上肢外骨骼助力機器人相連，每個驅(qū)動單元中的氣動肌肉的另一端分別與各自氣壓傳感器和各自兩個氣動高速開關(guān)閥相連，每個驅(qū)動單元中的氣動高速開關(guān)閥分別與DSP信號調(diào)理模塊相連，每個驅(qū)動單元中的氣壓傳感器分別與DSP信號調(diào)理模塊相連，電源模塊分別與ARM微處理器模塊、DSP微控制器模塊、ARM信號調(diào)理模塊和DSP信號調(diào)理模塊連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于上肢外骨骼助力機器人的嵌入式控制系統(tǒng)，其特征在于:所述ARM微處理器模塊，包括ARM微處理器、RS232串口、RJ45網(wǎng)口、CAN總線接口、USB接口和AD輸入接口 I ;RS232串口用于調(diào)試時PC機與ARM微處理器模塊之間的通訊，RJ45網(wǎng)口用于將PC機上的文件系統(tǒng)掛載到ARM微處理器模塊上，CAN總線接口用于與DSP微控制器模塊進行通訊，USB接口用于將內(nèi)核與文件系統(tǒng)的鏡像文件下載到ARM微處理器模塊上，上肢外骨骼助力機器人上的操作員運動意圖檢測傳感器獲得的模擬量信號經(jīng)過ARM信號調(diào)理模塊進入AD輸入接口 1，再進入ARM微處理器進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于上肢外骨骼助力機器人的嵌入式控制系統(tǒng)，其特征在于:所述DSP微控制器模塊，主要由DSP微控制器、JTAG調(diào)試接口、CAN總線接口、AD輸入接口 2和PWM輸出接口組成；JTAG調(diào)試接口用于現(xiàn)場調(diào)試和程序下載，CAN總線接口用于與ARM微處理器模塊進行通訊，信號從DSP微控制器出發(fā)，經(jīng)過DSP信號調(diào)理模塊，DSP信號調(diào)理模塊輸出的模擬量信號通過PWM輸出接口控制氣動高速開關(guān)閥，進而驅(qū)動氣動肌肉使上肢外骨骼助力機器人運動，上肢外骨骼助力機器人上的氣壓傳感器和角位移傳感器獲得的模擬量信號經(jīng)過DSP信號調(diào)理模塊進入AD輸入接口 2，再進入DSP微控制器進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于上肢外骨骼助力機器人的嵌入式控制系統(tǒng)，其特征在于:所述電源模塊，由外部電源將220V交流電轉(zhuǎn)換為24V直流電，24V直流電為氣動高速開關(guān)閥和氣壓傳感器供電；24V直流電轉(zhuǎn)換為+5V直流電和±5V直流電，+5V直流電為ARM微處理器模塊、DSP微控制器模塊和角位移傳感器供電，±5V直流電為操作員運動意圖檢測傳感器供電。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于上肢外骨骼助力機器人的嵌入式控制系統(tǒng)，其特征在于:所述ARM信號調(diào)理模塊，主要包括AD輸出接口 1、操作員運動意圖檢測傳感器信號調(diào)理電路和操作員運動意圖檢測傳感器接口，所述AD輸出接口 I和所述ARM微控制器模塊的AD輸入接口 I相連，上肢外骨骼助力機器人上的操作員運動意圖檢測傳感器獲得的模擬量信號經(jīng)過所述操作員運動意圖檢測傳感器信號調(diào)理電路，由AD輸出接口 I進入所述ARM微處理器模塊的AD輸入接口 I，AD輸入接口 I與ARM微控制器內(nèi)部的AD功能模塊相連，所述模擬量信號經(jīng)過AD輸入接口 I轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號進入ARM微控制器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述ARM信號調(diào)理模塊，其特征在于:所述操作員運動意圖檢測傳感器信號調(diào)理電路，主要由降壓電路、壓控電壓源二階低通濾波電路和電壓跟隨器組成，操作員運動意圖檢測傳感器獲得的模擬量信號在進入ARM微處理器模塊的AD輸入接口 I之前，首先經(jīng)過降壓電路后進入壓控電壓源二階低通濾波電路，然后經(jīng)過電壓跟隨器，最后由所述ARM信號調(diào)理模塊的AD輸出接口 I進入ARM微處理器模塊的AD輸入接口 I。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于上肢外骨骼助力機器人的嵌入式控制系統(tǒng)，其特征在于:所述DSP信號調(diào)理模塊，主要包括AD輸出接口 2、氣壓傳感器信號調(diào)理電路、氣壓傳感器接口、角位移傳感器信號調(diào)理電路、角位移傳感器接口、PWM輸入接口、氣動高速開關(guān)閥驅(qū)動電路和氣動高速開關(guān)閥接口 ；所述AD輸出接口 2與所述DSP微控制器模塊的AD輸入接口 2相連，上肢外骨骼助力機器人上的氣壓傳感器與角位移傳感器獲得的模擬量信號分別經(jīng)過所述氣壓傳感器信號調(diào)理電路與角位移傳感器信號調(diào)理電路，由AD輸出接口 2進入所述DSP微控制器模塊的AD輸入接口 2，AD輸入接口 2與DSP微控制器內(nèi)部的AD功能模塊相連，所述模擬量信號經(jīng)過AD輸入接口 2轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號進入DSP微控制器；所述PWM輸入接口與所述DSP微控制器模塊的PWM輸出接口相連，PWM輸出接口與DSP微控制器內(nèi)部的PWM功能模塊相連，數(shù)字量信號經(jīng)過PWM功能模塊轉(zhuǎn)化為模擬量信號由PWM輸入接口進入氣動高速開關(guān)閥驅(qū)動電路，所述氣動高速開關(guān)閥驅(qū)動電路將模擬信號隔離放大后控制氣動高速開關(guān) 閥，進而驅(qū)動氣動肌肉使上肢外骨骼助力機器人運動。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述DSP信號調(diào)理模塊，其特征在于:所述氣動高速開關(guān)閥驅(qū)動電路，主要由光耦隔離芯片PC817和場效應(yīng)管IRF740N組成，信號從DSP微控制器模塊的PWM輸出接口出發(fā)，經(jīng)過光耦隔離芯片PC817，接著由場效應(yīng)管IRF740N通過所述DSP信號調(diào)理模塊的PWM輸入接口驅(qū)動氣動高速開關(guān)閥進行動作。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述DSP信號調(diào)理模塊，其特征在于:所述氣壓傳感器信號調(diào)理電路，主要由電流電壓轉(zhuǎn)換電路、壓控電壓源二階低通濾波電路和電壓跟隨器組成，氣壓傳感器獲得的模擬量信號在進入DSP微控制器模塊的AD輸入接口 2之前，首先經(jīng)過電流電壓轉(zhuǎn)換電路后進入壓控電壓源二階低通濾波電路，然后經(jīng)過電壓跟隨器，最后由所述DSP信號調(diào)理模塊的AD輸出接口 2進入DSP微控制器模塊的AD輸入接口 2。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述DSP信號調(diào)理模塊，其特征在于:所述角位移傳感器信號調(diào)理電路，主要由降壓電路、壓控電壓源二階低通濾波電路和電壓跟隨器組成，角位移傳感器獲得的模擬量信號在進入DSP微控制器模塊的AD輸入接口 2之前，首先經(jīng)過降壓電路后進入壓控電壓源二階低通濾波電路，然后經(jīng)過電壓跟隨器，最后由所述DSP信號調(diào)理模塊的AD輸出接口 2進入DSP微控制器模塊的AD輸入接口 2。
【文檔編號】B25J13/08GK103786157SQ201410024182
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月20日
【發(fā)明者】劉昊, 李智壽, 張丹婷, 趙勇, 李超, 陶國良 申請人:浙江大學