[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

说明书

本发明公开了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，所述液压伺服控制系统包括伺服控制器、微小液压驱动单元、电机驱动模块、机器人本体、反馈测量单元；髋关节液压缸伺服控制采用髋关节角度—液压泵转速的双闭环控制策略；膝部液压缸伺服控制采用膝关节角度—旋转式换向阀开度的双闭环控制策略；通过前馈控制算法实现髋关节液压缸与膝关节液压缸之间动作的解耦问题；本发明在对穿戴者行走过程中的受力情况进行分析的基础上，对外骨骼用液压驱动系统进行了简化设计，结合所提出的伺服控制算法，使液压驱动系统不仅满足性能要求，而且实现了轻量化与小型化。

技术领域

本发明属于机器人驱动与伺服控制技术领域，涉及微小型液压伺服控制系统与控制方法，尤其是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。

背景技术

外骨骼机器人是智能化的人机交互系统，它为穿戴者提供支撑和防护，能够有效增强人体负重能力与耐力，在单兵机动作战、抢险救援、康复医疗以及民事应用领域(包括建筑作业、装配作业)具备广阔的应用前景。

当前，外骨骼机器人的驱动方式主要包括电机驱动和液压驱动。电机驱动主要应用于康复医疗领域外骨骼，这主要是因为医疗康复外骨骼对负载驱动能力要求不高，电机驱动能够满足应用需求。与电机驱动相比，液压驱动具有负载能力大，率密度大，抗干扰能力强，传动平稳且能承受较大的冲击和过载等优点，因此液压驱动外骨骼广泛应用于军事和部分民事应用中重载应用场合。目前，外骨骼用液压驱动系统采用一个或者多个电机—泵动力系统，并且每个液压缸都配合使用一个伺服阀进行压力和流量的调节，进而控制液压缸作动。这种液压系统方案虽然在功能上能够满足外骨骼系统应用需求，然而受制于现有液压生产工艺，液压系统体积和重量都会过大，导致整个外骨骼系统显得非常笨重，外骨骼机器人不仅助力效果不明显，反而使用起来非常不方便，甚至给穿戴者带来额外的负担，严重限制了液压驱动外骨骼机器人的实际应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出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，在对穿戴者实际运动中的受力情况进行综合分析的基础上，对外骨骼液压驱动系统原理进行简化设计，提出一种微小液压驱动系统，结合所提出的伺服控制算法，使液压伺服控制系统在满足性能要求的基础上，实现小型化与轻量化。

本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：

一种外骨骼机器人用微小型液压伺服控制系统，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。

而且，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等时序控制功能；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。