[发明专利]一种外骨骼机器人用微小型液压伺服控制系统与控制方法

权利要求书

1.一种外骨骼机器人用微小型液压伺服控制系统，其特征在于：包括伺服控制器、电机驱动模块、微小液压系统、机器人本体和反馈测量单元；所述伺服控制器的输出端与电机驱动模块相连接，用于对控制算法进行解算，输出控制信号到电机驱动模块；所述电机驱动模块的输出端与微小液压系统相连接，用于驱动液压泵驱动电机和旋转式换向阀驱动电机动作；所述微小液压系统的输出端与机器人本体上的髋关节和膝关节相连接，用于驱动外骨骼机器人的关节动作；所述微小液压系统还通过反馈测量单元与伺服控制器相连接，用于为液压伺服控制提供信号反馈；所述机器人本体上的髋关节和膝关节还通过反馈测量单元与伺服控制器相连接，用于为液压伺服控制提供信号反馈；

所述微小液压系统分为左、右对称的下肢液压驱动单元，每个下肢液压驱动单元主要由单个油箱、单个髋关节液压缸、单个膝关节液压缸、单个液压泵、单个液压泵驱动电机及其同轴装配的转速编码器、单个旋转式换向阀、单个旋转式换向阀驱动电机以及与其同轴装配的光电码盘、若干安全阀、液控单向阀和油压传感器构成；其中，与液压泵驱动电机同轴安装的转速编码器的输出端与伺服控制器相连接，用于将液压泵转速信息发送到伺服控制器；所述光电码盘的输出端与伺服控制器连接，用于将伺服阀的开度信息输出至伺服控制器；所述油压传感器的输出端与伺服控制器连接，用于将油缸压力信息输出至伺服控制器。

2.根据权利要求1所述的一种外骨骼机器人用微小型液压伺服控制系统，其特征在于：所述伺服控制器包括FPGA模块和DSP模块，所述FPGA模块和DSP模块相连接，实现数据通讯；该FPGA模块包括系统时序控制模块、传感器信息采样模块、驱动控制模块和接口通讯模块，所述系统时序控制模块分别与传感器信息采集模块、驱动控制模块和接口通讯模块连接，用于提供系统定时中断和采样时序控制功能；所述传感器信息采集模块的输入端与外部传感器相连接，其输出端与DSP模块相连接，为传感器信号进入伺服控制器提供接口；所述驱动控制模块的输入端与DSP模块相连接，其输出端与电机驱动模块相连接，用于接收控制器输出的控制率，并将其转换为脉宽调制信号及电机方向信号并作用到电机驱动模块上；所述接口通讯模块的输出端与上位机相连，其输入端与DSP相连，实现伺服控制器与上位机通讯。

3.根据权利要求1所述的一种外骨骼机器人用微小型液压伺服控制系统，其特征在于：所述机器人本体包括髋关节、大腿、膝关节、小腿、踝关节和足部；所述髋关节与液压驱动单元中的髋关节液压缸连接，做主动伸缩运动；所述膝关节与液压驱动单元中的膝关节液压缸连接，做主动伸缩运动；所述踝关节为被动关节，无液压驱动；所述大腿两端分别连接髋关节和膝关节；所述小腿两端分别连接膝关节和踝关节；所述足部一端连接踝关节。

4.根据权利要求1所述的一种外骨骼机器人用微小型液压伺服控制系统，其特征在于：所述反馈测量单元包括膝关节角度编码器、髋关节角度编码器、液压泵转速编码器、旋转式换向阀开度编码器、足底压力传感器和液压缸油压传感器，该反馈测量单元的关节角度编码器、液压泵转速编码器、旋转式换向阀开度编码器、足底压力传感器和液压缸油压传感器的输出端分别与伺服控制器相连接，为液压伺服控制提供状态反馈。

5.一种如权利要求1-4任一项权利要求所述的一种外骨骼机器人用微小型液压控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、采集足底压力信号，并进行步态相位识别；

步骤2、根据步骤1的步态相位识别结果，选择步态相位所对应的髋关节参考运动轨迹，构建基于髋关节角度—液压泵转速的双闭环控制策略，对髋关节液压缸的伺服控制；

步骤3、根据步骤1的步态相位识别结果选择膝关节液压缸的控制模式；

步骤4、构建前馈控制器，实现髋关节伺服控制与膝关节伺服控制之间的解耦。

6.根据权利要求5所述的一种外骨骼机器人用微小型液压控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤1的具体方法为：利用足底压力传感器分别检测外骨骼机器人足底前脚掌和后脚跟部位上的压力；将压力数据输出至伺服控制器中的FPGA接口上，FPGA中内嵌步态相位识别算法，对步态相位进行识别，将人体步态相位划分为摆动前期、摆动后期、支撑前期、支撑中期和支撑后期。