CN105138030B - 一种用于下肢外骨骼的分布式液压控制系统 - Google Patents
一种用于下肢外骨骼的分布式液压控制系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于下肢外骨骼的分布式液压控制系统，包括姿态仪模块、通信基站、上位机监控平台、控制电路模块、液压工作模块和编码模块。本发明提供了一种用于下肢外骨骼的分布式液压控制系统，利用液压驱动来满足大功率、高刚度的要求，液压驱动的输出功率比较大，具有缓冲的作用，而且可以存储一定的能量，解决了电机驱动方式输出扭矩小、驱动力有限的不足的问题，并利用2.4G通信模块取代常用的Zigbee通信模块，解决了其数据传输速率低、价格相对昂贵、协议复杂的问题；通过信息采集与控制模块实时采集并分析人体的运动状态和运动意图，从而驱动液压系统工作带动机械组件和人运动，使系统更加智能，使用更加方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于下肢外骨骼的分布式液压控制系统。
背景技术
助力外骨骼机器人是一种可穿戴式随动系统，它工作时必须与人体运动相配合；对于助力外骨骼机器人的运动控制，需要姿态仪采集穿戴者的运动意图及趋势，然后对助力外骨骼进行控制，使其跟随穿戴者的运动进行有效助力；军事应用中，外骨骼能提高士兵的承载能力，加快行军速度，使士兵能够负重长途跋涉于车辆无法通过的地方；在民用方面它也具有广阔的应用前景: 抗险救灾、消防、建筑施工、家具搬运等。
在本领域中，公开的技术有专利公开号为 CN 103622792 A 的，名为“外骨骼助力机器人的信息采集与控制系统”的发明专利，该系统上共安装四类传感器，包括加速度、压力传感器、旋转编码器和陀螺仪，将压力传感器安装在脚掌主要受力点，将加速度传感器安装在大小腿中间、髋关节进行加速度测量。将陀螺仪安装在腰后中间测量重心，另外采集旋转编码器数据进行校准。 根据传感器分布用独立单片机进行数据采集，并采用zigbee 无线数据传输。
但是该装置也存在以下不足之处：（1）电机驱动方式确实在控制上容易实现，但其最大的缺点是输出扭矩小，驱动力有限；而液压驱动的输出功率比较大，具有缓冲的作用，而且可以存储一定的能量，所以液压驱动方式用在助力外骨骼上更胜一筹；（2）Zigbee通信模块的传输速率理论值是250kbps的,实际中一般也就20-30kbps的传输速率,速率低、价格相对昂贵、协议也比较复杂。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种用于下肢外骨骼的分布式液压控制系统，利用液压驱动来满足大功率、高刚度的要求，液压驱动的输出功率比较大，具有缓冲的作用，而且可以存储一定的能量，所以液压驱动方式用在助力外骨骼上比电机驱动更胜一筹，解决电机驱动方式输出扭矩小、驱动力有限的不足的问题，并利用2.4G通信模块取代常用的Zigbee通信模块，解决了其数据传输速率低、价格相对昂贵、协议复杂的问题；通过信息采集与控制模块实时采集并分析人体的运动状态和运动意图，从而驱动液压系统工作带动机械组件和人运动，使系统更加智能，使用更加方便。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于下肢外骨骼的分布式液压控制系统，它包括姿态仪模块、通信基站、上位机监控平台、控制电路模块、液压工作模块和编码模块；所述的姿态仪模块通过无线通信与通信基站连接；通信基站与上位机监控平台连接；通信基站还与控制电路模块连接；所述的控制电路模块分别与液压工作模块和编码器模块连接；
所述的控制电路模块包括多个控制器单元，所述的控制器单元包括ARM微处理器和液压驱动电路，所述的ARM微处理器通过CAN总线与通信基站连接，通过串口通信电路与编码器模块连接，ARM微处理器的输出端与液压驱动电路连接，所述的液压驱动电路与液压工作模块连接；
所述的液压工作模块包括多个液压工作单元，所述的液压工作单元均包括伺服放大器、电液伺服阀和双作用液压缸，伺服放大器的输入端与控制电路模块连接，伺服放大器的输出端与电液伺服阀连接，电液伺服阀的输出端与双作用液压缸连接；
所述的上位机监控平台用于显示姿态仪模块采集到的信息，并根据姿态仪模块采集到的信息分析处理得到控制信号，并将控制信号发送给控制电路模块，由控制电路模块控制液压工作模块进行工作；
所述的编码器模块用于采集大小腿的实时运动信息，并将采集到的实时运动信息传回控制电路模块，控制电路模块将编码器模块采集到的信息与姿态仪模块采集到的信息进行对比，对运动姿态进行矫正。
所述的伺服放大器包括差分比例放大电路、功率放大电路和限流保护电路，所述的差分比例放大电路的输入端与液压驱动电路连接，差分比例放大电路的输出端与功率放大电路的差分信号输入端连接，功率放大电路的输出端与电液伺服阀连接，功率放大电路的输出端还与自身的反馈信号输入端连接；所述的限流保护电路与差分比例放大电路连接。
所述的姿态仪模块包括多个姿态仪传感器，所述的姿态仪传感器分别为：左大腿姿态仪传感器、左小腿姿态仪传感器、右大腿姿态仪传感器，右小腿姿态仪传感器和背部姿态仪传感器。
所述的多个控制器单元分别为左髋关节控制器、左膝关节控制器、右髋关节控制器和右膝关节控制器。
所述的多个液压工作单元分别为左大腿液压工作单元、左小腿液压工作单元、右大腿液压工作单元和右小腿液压工作单元。
所述的编码器模块包括左髋关节编码器、左膝关节编码器、右髋关节编码器和右膝关节编码器。
所述的姿态仪模块和通信基站均包括2.4G无线通信模块，姿态仪模块和通信基站之间通过2.4G无线通信传输数据。
所述的通信基站通过CAN总线转USB接口与上位机监控平台连接，通过CAN总线与控制电路模块连接。
所述的姿态仪传感器包括三轴陀螺仪、加速度计MPU6500和电子罗盘HMC5983。
所述的姿态仪模块、编码器模块、控制电路模块和液压工作模块中包含的不同位置的设备是成分布式对应的：
上位机监控平台根据左大腿姿态仪传感器采集到的信号进行分析处理得到控制信号，并将控制信号发送给左髋关节控制器来控制左大腿液压工作单元工作，在工作过程中，左髋关节编码器将实时采集到的左大腿运动信息发送给左髋关节控制器，左髋关节控制器通过对比左大腿姿态仪传感器采集到的信号和左髋关节编码器将实时采集到的信号来对左大腿的运动姿态进行矫正。
上位机监控平台根据右大腿姿态仪传感器采集到的信号进行分析处理得到控制信号，并将控制信号发送给右髋关节控制器来控制右大腿液压工作单元工作，在工作过程中，右髋关节编码器将实时采集到的右大腿运动信息发送给右髋关节控制器，右髋关节控制器通过对比右大腿姿态仪传感器采集到的信号和右髋关节编码器将实时采集到的信号来对右大腿的运动姿态进行矫正。
上位机监控平台根据左小腿姿态仪传感器采集到的信号进行分析处理得到控制信号，并将控制信号发送给左膝关节控制器来控制左小腿液压工作单元工作，在工作过程中，左膝关节编码器将实时采集到的左小腿运动信息发送给左膝关节控制器，左膝关节控制器通过对比左小腿姿态仪传感器采集到的信号和左膝关节编码器实时采集到的信号来对左小腿的运动姿态进行矫正。
上位机监控平台根据右小腿姿态仪传感器采集到的信号进行分析处理得到控制信号，并将控制信号发送给右膝关节控制器来控制右小腿液压工作单元工作，在工作过程中，右膝关节编码器将实时采集到的右小腿运动信息发送给右膝关节控制器，右膝关节控制器通过对比右小腿姿态仪传感器采集到的信号和右膝关节编码器实时采集到的信号来对右小腿的运动姿态进行矫正。
本发明的有益效果是：（1）利用液压驱动来满足大功率、高刚度的要求，液压驱动的输出功率比较大，具有缓冲的作用，而且可以存储一定的能量，所以液压驱动方式用在助力外骨骼上比电机驱动更胜一筹，解决电机驱动方式输出扭矩小、驱动力有限的缺陷。
（2）利用2.4G通信模块取代常用的Zigbee通信模块解决了其数据传输速率低、价格相对昂贵、协议复杂的问题。
（3）通过信息采集与控制模块实时采集并分析人体的运动状态和运动意图，从而驱动液压系统工作带动机械组件和人运动，使系统更加智能，使用更加方便。
（4）控制电路模块将编码器模块实时采集到的信息与姿态仪模块采集到的信息进行对比，对运动姿态进行矫正，使运动控制更加精确，效果更好。
（5）伺服放大器具有反馈接入端，以便构成闭环控制系统，同时具有限流保护电路，系统安全性得到了提高。
附图说明
图1为本发明的原理结构框图；
图2为伺服放大器的电路原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种用于下肢外骨骼的分布式液压控制系统，它包括姿态仪模块、通信基站、上位机监控平台、控制电路模块、液压工作模块和编码模块；所述的姿态仪模块通过无线通信与通信基站连接；通信基站与上位机监控平台连接；通信基站还与控制电路模块连接；所述的控制电路模块分别与液压工作模块和编码器模块连接；
所述的控制电路模块包括多个控制器单元，所述的控制器单元包括ARM微处理器和液压驱动电路，所述的ARM微处理器通过CAN总线与通信基站连接，通过串口通信电路与编码器模块连接，ARM微处理器的输出端与液压驱动电路连接，所述的液压驱动电路与液压工作模块连接；
所述的液压工作模块包括多个液压工作单元，所述的液压工作单元均包括伺服放大器、电液伺服阀和双作用液压缸，伺服放大器的输入端与控制电路模块连接，伺服放大器的输出端与电液伺服阀连接，电液伺服阀的输出端与双作用液压缸连接；
所述的上位机监控平台用于显示姿态仪模块采集到的信息，并根据姿态仪模块采集到的信息分析处理得到控制信号，并将控制信号发送给控制电路模块，由控制电路模块控制液压工作模块进行工作；
所述的编码器模块用于采集大小腿的实时运动信息，并将采集到的实时运动信息传回控制电路模块，控制电路模块将编码器模块采集到的信息与姿态仪模块采集到的信息进行对比，对运动姿态进行矫正。
如图2所示，所述的伺服放大器包括差分比例放大电路、功率放大电路和限流保护电路，所述的差分比例放大电路的输入端与液压驱动电路连接，差分比例放大电路的输出端与功率放大电路的差分信号输入端连接，功率放大电路的输出端与电液伺服阀连接，功率放大电路的输出端还与自身的反馈信号输入端连接；所述的限流保护电路与差分比例放大电路连接。
所述的姿态仪模块包括多个姿态仪传感器，所述的姿态仪传感器分别为：左大腿姿态仪传感器、左小腿姿态仪传感器、右大腿姿态仪传感器，右小腿姿态仪传感器和背部姿态仪传感器。
所述的多个控制器单元分别为左髋关节控制器、左膝关节控制器、右髋关节控制器和右膝关节控制器。
所述的多个液压工作单元分别为左大腿液压工作单元、左小腿液压工作单元、右大腿液压工作单元和右小腿液压工作单元。
所述的编码器模块包括左髋关节编码器、左膝关节编码器、右髋关节编码器和右膝关节编码器。
所述的姿态仪模块和通信基站均包括2.4G无线通信模块，姿态仪模块和通信基站之间通过2.4G无线通信传输数据。
所述的通信基站通过CAN总线转USB接口与上位机监控平台连接，通过CAN总线与控制电路模块连接。
所述的姿态仪传感器包括三轴陀螺仪、加速度计MPU6500和电子罗盘HMC5983。
所述的姿态仪模块、编码器模块、控制电路模块和液压工作模块中包含的不同位置的设备是成分布式对应的：
上位机监控平台根据左大腿姿态仪传感器采集到的信号进行分析处理得到控制信号，并将控制信号发送给左髋关节控制器来控制左大腿液压工作单元工作，在工作过程中，左髋关节编码器将实时采集到的左大腿运动信息发送给左髋关节控制器，左髋关节控制器通过对比左大腿姿态仪传感器采集到的信号和左髋关节编码器将实时采集到的信号来对左大腿的运动姿态进行矫正。
上位机监控平台根据右大腿姿态仪传感器采集到的信号进行分析处理得到控制信号，并将控制信号发送给右髋关节控制器来控制右大腿液压工作单元工作，在工作过程中，右髋关节编码器将实时采集到的右大腿运动信息发送给右髋关节控制器，右髋关节控制器通过对比右大腿姿态仪传感器采集到的信号和右髋关节编码器将实时采集到的信号来对右大腿的运动姿态进行矫正。
上位机监控平台根据左小腿姿态仪传感器采集到的信号进行分析处理得到控制信号，并将控制信号发送给左膝关节控制器来控制左小腿液压工作单元工作，在工作过程中，左膝关节编码器将实时采集到的左小腿运动信息发送给左膝关节控制器，左膝关节控制器通过对比左小腿姿态仪传感器采集到的信号和左膝关节编码器实时采集到的信号来对左小腿的运动姿态进行矫正。
上位机监控平台根据右小腿姿态仪传感器采集到的信号进行分析处理得到控制信号，并将控制信号发送给右膝关节控制器来控制右小腿液压工作单元工作，在工作过程中，右膝关节编码器将实时采集到的右小腿运动信息发送给右膝关节控制器，右膝关节控制器通过对比右小腿姿态仪传感器采集到的信号和右膝关节编码器实时采集到的信号来对右小腿的运动姿态进行矫正。
液压系统驱动电路的实现需要借助于ARM微处理器内置的两个DAC数模转换接口，输出控制信号一和控制信号二（这里的控制信号一和二是根据姿态仪模块所采集的运动状态数据，经上位机监控平台分析处理转化为控制信号，由控制电路模块中对应的控制器单元输出）。
所述的伺服放大器作用是将输出模拟控制信号一和控制信号二进行求差、比例放大后，输出一个与偏差电压信号成比例的控制电流给电液伺服阀，控制伺服阀阀芯开度大小，并起限幅保护作用；相应参数有一定要求：(1)输入控制信号一和控制信号二均在0~10V之间；（2）输出电流±８mA可调恒流源，正比于控制信号的差值。
Claims (2)
1.一种用于下肢外骨骼的分布式液压控制系统，其特征在于：它包括姿态仪模块、通信基站、上位机监控平台、控制电路模块、液压工作模块和编码模块；所述的姿态仪模块通过无线通信与通信基站连接；通信基站与上位机监控平台连接；通信基站还与控制电路模块连接；所述的控制电路模块分别与液压工作模块和编码器模块连接；
所述的控制电路模块包括多个控制器单元，所述的控制器单元包括ARM微处理器和液压驱动电路，所述的ARM微处理器通过CAN总线与通信基站连接，通过串口通信电路与编码器模块连接，ARM微处理器的输出端与液压驱动电路连接，所述的液压驱动电路与液压工作模块连接；
所述的液压工作模块包括多个液压工作单元，所述的液压工作单元均包括伺服放大器、电液伺服阀和双作用液压缸，伺服放大器的输入端与控制电路模块连接，伺服放大器的输出端与电液伺服阀连接，电液伺服阀的输出端与双作用液压缸连接；
所述的伺服放大器包括差分比例放大电路、功率放大电路，所述的差分比例放大电路的输入端与液压驱动电路连接，差分比例放大电路的输出端与功率放大电路的差分信号输入端连接，功率放大电路的输出端与电液伺服阀连接，功率放大电路的输出端，还与自身的反馈信号输入端连接；
所述的伺服放大器用于将输出的控制信号进行求差、比例放大后，输出一个与偏差电压信号成比例的控制电流给电液伺服阀，用于控制伺服阀阀芯开度大小；
所述的上位机监控平台用于显示姿态仪模块采集到的信息，并根据姿态仪模块采集到的信息分析处理得到控制信号，并将控制信号发送给控制电路模块，由控制电路模块控制液压工作模块进行工作；
所述的编码器模块用于采集大小腿的实时运动信息，并将采集到的实时运动信息传回控制电路模块，控制电路模块将编码器模块采集到的信息与姿态仪模块采集到的信息进行对比，对运动姿态进行矫正；所述的伺服放大器包括限流保护电路，所述的限流保护电路与差分比例放大电路连接；所述的姿态仪传感器包括三轴陀螺仪、加速度计MPU6500和电子罗盘HMC5983；
所述的姿态仪模块包括多个姿态仪传感器，所述的姿态仪传感器分别为：左大腿姿态仪传感器、左小腿姿态仪传感器、右大腿姿态仪传感器，右小腿姿态仪传感器和背部姿态仪传感器；
所述的多个控制器单元分别为左髋关节控制器、左膝关节控制器、右髋关节控制器和右膝关节控制器；
所述的多个液压工作单元分别为左大腿液压工作单元、左小腿液压工作单元、右大腿液压工作单元和右小腿液压工作单元；
所述的编码器模块包括左髋关节编码器、左膝关节编码器、右髋关节编码器和右膝关节编码器；
所述的姿态仪模块和通信基站均包括2.4G无线通信模块，姿态仪模块和通信基站之间通过2.4G无线通信传输数据；
所述上位机监控平台根据左大腿姿态仪传感器采集到的信号进行分析处理得到控制信号，并将控制信号发送给左髋关节控制器来控制左大腿液压工作单元工作，在工作过程中，左髋关节编码器将实时采集到的左大腿运动信息发送给左髋关节控制器，左髋关节控制器通过对比左大腿姿态仪传感器采集到的信号和左髋关节编码器将实时采集到的信号来对左大腿的运动姿态进行矫正；
所述上位机监控平台根据右大腿姿态仪传感器采集到的信号进行分析处理得到控制信号，并将控制信号发送给右髋关节控制器来控制右大腿液压工作单元工作，在工作过程中，右髋关节编码器将实时采集到的右大腿运动信息发送给右髋关节控制器，右髋关节控制器通过对比右大腿姿态仪传感器采集到的信号和右髋关节编码器将实时采集到的信号来对右大腿的运动姿态进行矫正；
所述上位机监控平台根据左小腿姿态仪传感器采集到的信号进行分析处理得到控制信号，并将控制信号发送给左膝关节控制器来控制左小腿液压工作单元工作，在工作过程中，左膝关节编码器将实时采集到的左小腿运动信息发送给左膝关节控制器，左膝关节控制器通过对比左小腿姿态仪传感器采集到的信号和左膝关节编码器实时采集到的信号来对左小腿的运动姿态进行矫正；
所述上位机监控平台根据右小腿姿态仪传感器采集到的信号进行分析处理得到控制信号，并将控制信号发送给右膝关节控制器来控制右小腿液压工作单元工作，在工作过程中，右膝关节编码器将实时采集到的右小腿运动信息发送给右膝关节控制器，右膝关节控制器通过对比右小腿姿态仪传感器采集到的信号和右膝关节编码器实时采集到的信号来对右小腿的运动姿态进行矫正。
2.根据权利要求1所述的一种用于下肢外骨骼的分布式液压控制系统，其特征在于：所述的通信基站通过CAN总线转USB接口与上位机监控平台连接，通过CAN总线与控制电路模块连接。
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