[发明专利]一种外骨骼机器人平台通信方法及在线仿真控制系统

说明书

本发明提供的外骨骼机器人平台通信方法及在线仿真控制系统，涉及机器人仿真技术领域；其通信协议包括底层控制指令和用户功能指令，底层控制指令实现外部终端对外骨骼机器人本体的远程数据监控或仿真应用，用户功能指令实现外骨骼机器人本体内部封装功能的操作，以及使得外骨骼机器人本体在服务器工作模式和客户端工作模式间切换；基于该通信协议的在线仿真控制系统，通过该协议完成外骨骼机器人本体的控制操作，兼容多种连接方案，集数据监控、数据采集与导出、内置运动学/动力学模型等各种有效工具于一身；本发明提出的通信协议及基于该协议的在线仿真控制系统，在外骨骼机器人研发或研究中具有重要作用。

技术领域

本发明涉及机器人仿真技术领域，具体涉及一种外骨骼机器人平台通信方法及在线仿真控制系统。

背景技术

外骨骼机器人技术是融合传感、控制、信息、融合、移动计算，为作为操作者的人提供一种可穿戴的机械机构的综合技术。在技术应用上，外骨骼机器人可分为用于康复训练的康复外骨骼机器人，用于行走辅助的辅助型外骨骼机器人和用于助力增强的增强外骨骼机器人。

外骨骼机器人作为一种人机耦合性较强的穿戴式智能装备，其人因工程设计不仅仅体现在贴合舒适的穿戴感，其内置的人体运动意图识别系统、运动控制算法、外部控制终端等人机交互方案也是外骨骼机器人的重要组成部分。

外骨骼机器人的人机交互方案主要用于控制者向外骨骼机器人系统传递控制信息，常规人机交互方案可分为被动感知型交互、主动控制型交互两种类型。

被动感知型交互方案包括单不限于基于内置力学传感、位置传感器的人体运动意图识别系统，基于外置脑电、肌电信号的人体运动意图检测系统等，该类交互方案智能化程度较高，但相对的，其算法运行算力要求较高，对处理器提出较高的要求；

主动控制型交互方案包括但不限于基于机载按键，触摸显示屏控制器，电脑，智能手机，及智能手表、AR眼镜等可穿戴式设备的显性的控制信息录入形式，该类交互方案系统稳定性较高，且实现难度相对较低，可依赖于外部设备完成开发。

在实际系统设计及应用中，上述两种方案一般混合搭配使用，其具体控制终端也是复合的，多样的。完整的单一动力外骨骼机器人系统至少包含三大组件：机械结构及运动执行器、主控及存储单元、传感等输入设备。在机器人控制方案内，主控基于采集到的输入设备的信息执行存储单元内的相应算法程序，机械结构及运动执行器作为被控对象执行相应的动作。通过分布式智能控制系统、云计算及5G等低延时通信技术，传统的外骨骼机器人内的控制系统内的复杂算法可迁移至其他平台，将外骨骼机器人系统简化为单一执行单元，由此实现外骨骼集群使用下的集中管理和分散控制。

外骨骼机器人作为人机耦合的典型应用案例，多种人机交互形式、交互终端的组合应用十分广泛，但由于人机交互终端运行平台、连接方式及控制权限的差异性，对外骨骼机器人本身及人机交互终端的适配性提出了较高的要求。

对于外骨骼机器人本体而言，首先，需要配备相应的硬件连接方案(有线RS232/485、CAN、网线，无线蓝牙、WiFi等)，同时还需要根据不同的外部终端需求定制不同的使用接口协议。因此，外骨骼机器人本体的接口协议种类、复杂度会随着平台连接终端的增加而增加。其次，对于外部终端而言，从用途上可分为三类：数据平台监控显示类、功能操作类、调试控制类；数据平台监控显示类终端，一般需要从外骨骼机器人本体获取其正常的电量、姿态角度、运行状态类的信息，显示保存或处理成图表形式用作监控或数据分析用；功能操作类终端，一般指外接控制器，需要向外骨骼机器人传递相关的控制信息，如开关机、切换工作模式、助力等级调节等参数；调试控制类终端，一般会全接管外骨骼机器人，需在线实时获取外骨骼机器人本体运动传感信息，并在远程终端进行分析处理返回给外骨骼机器人控制信息，控制其运动。以上三类终端从所运行的平台的类型到其与外骨骼机器人传递的参数类型、数量、参数的实时性要求、终端的控制权限等级都存在差异，单独开发会导致整体系统复杂度较大，程序代码冗余，兼容性也较差。