[发明专利]一种负重型下肢外骨骼机器人的控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及外骨骼机器人领域，具体是一种负重型下肢外骨骼机器人的控制系统。

背景技术

外骨骼机器人是一种典型的外骨骼助力装置，可为穿戴者提供助力、支撑、保护等功能，融合了人体运动意图获取，多轴运动控制、机械仿生设计等机器人技术，是一种典型的人机一体化系统，可用于野外运输、医疗康复、旅游观光等方面。负重型下肢外骨骼机器人为外骨骼机器人的一种，主要用于对穿戴者的下肢提供助力，主要用于山地货物搬运，抢险救灾等场合。

负重型下肢外骨骼机器人控制系统有多种实现方式，根据采集信号的不同，可以分为体表肌电信号控制、脑电信号控制和接触力信号控制三种。体表肌电信号控制(如日本的HAL)具有延时短，实时性强的优点，但是也存在穿戴繁琐，电极易脱落的缺点；脑电信号控制，可以实现意念控制，但抗干扰性较差；接触力控制(如美国的BLEEX)具有穿戴方便，结构简单的优点，但存在响应迟缓，实时性差的缺点。在运动控制算法方面，对于负重型的下肢外骨骼机器人一般采用主动控制和跟随控制两种控制算法。主动控制是机器“带着”人行走，行走步态为事先规划好的标准步态，行走过程中，人消耗的能量最小，但是由于标准步态的有限性，机器人很难适应地形复杂的环境；跟随控制是人“带着”机器走，在行走过程中，人引导机器人行走，机器人同时为人提供助力，虽然行走过程中人要消耗一定的能量，但是灵活性要比主动控制要强很多，可以很好地将人体运动的灵活性和机器人的力量性完美结合起来。信号采集和控制算法的任意组合可以形成多种控制算法，但基于接触力的跟随控制算法已逐渐成为外骨骼机器人控制领域的研究热点；目前，在国外，负重型下肢外骨骼机器人控制系统研究起步早，技术较成熟，但大部分技术对外保密；在国内，负重型下肢外骨骼机器人控制系统研究起步晚，技术还不成熟，因此，迫切需要研究一种可靠的控制系统来满足人们对负重型下肢外骨骼机器人设计的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、容易穿戴、低成本的负重型下肢外骨骼机器人的控制系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种负重型下肢外骨骼机器人的控制系统，由两个功能相同子系统构成；每个子系统由信号采集装置、微控制器、运动执行机构以及控制算法组成；所述下肢外骨骼机器人用于为穿戴者下肢提供助力；所述信号采集装置由薄膜压力传感器、磁角度传感器、多通道放大器、多通道低通滤波器构成，完成穿戴者足底压力信号和下肢外骨骼机器人的踝关节角度信号的采集；所述运动执行机构由伺服驱动器组和伺服电缸组组成；所述控制算法采用末端跟随控制算法；信号采集装置采用薄膜压力传感器采集穿戴者的足底压力信号，采用磁传感器采集机器人踝关节的相对旋转角度信号，微控制器将穿戴者足底压力信号装换成数字量，并将将获得穿戴者足底压力信号和机器人踝关节角度信号通过末端跟随控制算法计算出下一时刻机器人髋关节和膝关节的角度值，从而计算出相应伺服电缸组的运动控制量；微控制器通过EtherCAT接口将所得运动控制量传送给相应的伺服驱动器组，伺服驱动器组驱动对应伺服电缸组运动。

作为本发明进一步的方案：所述子系统在硬件方面由一套微控制器集中实现，或由两套微控制器分布实现，但在控制流程上是相互独立的。

作为本发明进一步的方案：信号采集装置内部压力信号采集通道和角度信号采集通道相互独立，压力信号要通过放大和滤波进行读取，角度信号直接通过总线读取。

作为本发明进一步的方案：所述压力信号为4路，左右各2路，角度信号为2路，左右各1路，即每个子系统需要2路压力信号和1路角度信号。

作为本发明进一步的方案：所述微控制器采用ARM单片机，ARM单片机内部带有ADC模块和SPI接口，ADC模块将来自信号采集装置的压力信号转化为数字量，SPI总线用于连接磁角度传感器。

作为本发明进一步的方案：所述伺服驱动器组和伺服电缸组数量一样，一个驱动器配一个伺服电缸，每个子系统由两个伺服驱动器和两个伺服电缸组成。

作为本发明进一步的方案：伺服电缸采用MAXON伺服电缸。

作为本发明进一步的方案：所述末端跟随控制算法的输入信号为穿戴者足底压力信号和下肢外骨骼机器人的踝关节角度信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：