CN105902368A - 连杆关节一体化液压驱动外骨骼控制系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及连杆关节一体化液压驱动外骨骼控制系统及其控制方法，控制系统包括上位机及其外围扩展模块，上位机输出端分别与伺服电机驱动模块、能量回收控制模块及关节驱动模块输入端相连，上位机输入端分别与步态信息检测模块、位移传感器检测模块及压力传感器检测模块输出端相连。本发明公开了下肢外骨骼助力机器人的控制系统与控制方法。本连杆关节一体化外骨骼采用液压方式驱动各关节，采用足底压力传感器及腰部陀螺仪检测人体步态信息，采用各伺服比例阀对各关节液压缸的推杆位移进行伺服控制，采用能量回收控制模块提高能耗利用率，满足下肢外骨骼跟随人体运动过程中响应速度快、控制精度高及能效比高的要求。

Description

连杆关节一体化液压驱动外骨骼控制系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及外骨骼助力机器人的控制系统技术领域，具体说是连杆关节一体化液压驱动外骨骼控制系统。
背景技术
下肢外骨骼助力机器人主要用于助老、助残行走或协助人进行崎岖路面远距离行走或远距离重物搬运工作，要求外骨骼能快速跟随人体关节运动，并根据行走需求提供合适助力。国内外涉及下肢外骨骼机器人的专利和论文主要有以下几项：申请号为200980118130.2的中国专利：通过使用下肢外骨骼来减少人的能量消耗的设备和方法，另外，论文《7-DOF下肢外骨骼机器人驱动系统的设计与仿真》也是现有技术。然而上述的现有技术中并不具备用于检测人机交互信息和人体运动姿态的感知模块以及防摔倒检测模块，随着智能化技术的发展与更多为人性化考虑的设计，人机交互信息和人体运动姿态的感知模块逐渐成为了类似技术中的急需具备的技术，能为使用者带来非常实用和便捷的体验，防摔倒检测功能也是老年用户所必须的智能技术，能使下肢外骨骼助力设备在老年人用品市场具有极强的实用性优势。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供连杆关节一体化液压驱动外骨骼控制系统。该控制系统包括位置伺服控制、系统压力调节及能量回收，能精确控制执行元件运动，降低系统能耗。
本发明所要解决的技术问题具体采用以下技术方案来实现：
连杆关节一体化液压驱动外骨骼控制系统，包括上位机、步态信息检测模块、伺服电机驱动模块、能量回收控制模块、关节驱动控制模块、位移传感器检测模块及压力传感器检测模块，所述上位机输出端分别与伺服电机驱动模块、能量回收控制模块及关节驱动控制模块输入端相连，上位机输入端分别与步态信息检测模块、位移传感器检测模块及压力传感器检测模块输出端相连。
所述步态信息检测模块包括足底压力传感器、腰部陀螺仪、无线传输模块和两个分别连接在足底压力传感器与无线传输模块之间、腰部陀螺仪及无线传输模块之间的一号下位机、二号下位机，所述无线传输模块与上位机相连。
所述关节驱动控制模块包括四条结构相同的液压支路，四条液压支路分别对应包括一号伺服比例阀和与一号伺服比例阀连接的左髋关节液压缸、二号伺服比例阀和与二号伺服比例阀连接的左膝关节液压缸、三号伺服比例阀和与三号伺服比例阀连接的右膝关节液压缸、四号伺服比例阀和与四号伺服比例阀连接的右髋关节液压缸，所述一号伺服比例阀、二号伺服比例阀、三号伺服比例阀和四号伺服比例阀共同连接有一个D/A转换装置，所述D/A转换装置连接在上位机上。
所述能量回收控制模块包括两个结构相同的子模块，两个子模块分别对应包括一号蓄能器和二号蓄能器，所述一号蓄能器连接有一号电磁换向阀和一号液控换向阀、所述二号蓄能器连接有二号电磁换向阀和二号液控换向阀，所述一号液控换向阀和二号液控换向阀均与上位机相连。
所述伺服电机驱动模块包括伺服电机和与伺服电机相连的变量泵。
所述位移传感器检测模块包括一号位移传感器、二号位移传感器、三号位移传感器和四号位移传感器。
所述压力传感器检测模块包括一号压力传感器、二号压力传感器、三号压力传感器、四号压力传感器、五号压力传感器、六号压力传感器、七号压力传感器和八号压力传感器。
连杆关节一体化液压驱动外骨骼控制系统的控制方法，包括以下步骤：
1、行走步态信息检测：所述一号下位机和二号下位机分别对应采集足底压力传感器及腰部陀螺仪的反馈信息，综合判定下肢外骨骼当前步态，利用无线传输模块传递至上位机内；
2、电液驱动系统功率设定：利用上位机采集位移传感器检测模块和压力传感器检测模块的数据信息，分析下肢外骨骼所处步态和助力需求，通过调整上位机的脉宽调制功能输出的PWM信号占空比，调整伺服电机转速，从而调整变量泵流量；
3、蓄能器工作模式匹配：利用上位机采集位移传感器检测模块和压力传感器检测模块的数据信息，分析下肢外骨骼所处步态和需求，由上位机输出的I/O量控制一号电磁换向阀和二号电磁换向阀，使能一号蓄能器和二号蓄能器进行能量供给或能量收集动作；
4、执行机构位置、速度伺服：分析下肢外骨骼所处步态，同时进行下一时刻的步态规划，由上位机输出控制信号给各伺服比例阀，控制油液流量，从而控制对应的各关节液压缸完成位置与力调整的伺服驱动；
5、执行机构助力位置检测：根据下肢外骨骼规划的步态，由各个位移传感器反检测对应各关节液压缸的推杆所到达位置，然后根据规划的步态与实际各推杆所处位置之间的差距，匹配合适的助力效果。
在所述能量回收控制模块工作时，当所述步态信息检测模块工作中检测到人体处于一条腿支撑，另一条腿离开地面状态时，主回路切换至所述能量回收控制模块，供给对应关节驱动模块流量和压力油液，当所述步态检测模块检测到人体处于一条腿支撑，另一条腿接触地面状态时，主回路切换至所述能量回收控制模块，储存对应关节驱动模块多余油液。
所述上位机根据当前步态信息及规划的下一时刻步态信息，输出控制信号给外部D/A转换模块，D/A转换模块输出模拟信号控制各伺服比例阀流量，从而控制对应各关节液压缸的推杆运动速度。
所述位移传感器检测模块采用各位移传感器反馈对应各关节液压缸的推杆位移信息给上位机，由上位机内部A/D转换后存于内存中。
所述压力传感器检测模块采用各压力传感器反馈各关节液压缸进出油口油液压力信息给上位机，由上位机内部A/D转换存于内存中。
本发明的有益效果是：
1.本发明具备对下肢外骨骼的力/位混合控制作用，能有效将电液伺服驱动系统的输出与人体行走助力所需的力、速度相匹配，以达到合适的助力效果。
2.本发明能够根据人体运动信息检测探知人体运动信息意图和助力需求，并控制电液伺服驱动系统输出功率的分配，匹配人体助力需求功率。
3.本发明控制电液伺服驱动系统能量回收控制模块的工作模式和工作状态，具备能量实时回收和快速释放的功能，可提高系统能量利用效率。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的连接关系示意图；
图2是本发明的液压系统连接关系图；
图3是本发明的控制流程图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段和创作特征易于明白了解，下面对本发明进一步阐述。
如图1所示，连杆关节一体化液压驱动外骨骼控制系统，包括上位机1、步态信息检测模块2、伺服电机103驱动模块3、能量回收控制模块4、关节驱动控制模块5、位移传感器检测模块6及压力传感器检测模块7，所述上位机1输出端分别与伺服电机103驱动模块3、能量回收控制模块4及关节驱动控制模块5输入端相连，上位机1输入端分别与步态信息检测模块2、位移传感器检测模块6及压力传感器检测模块7输出端相连。
所述步态信息检测模块2包括足底压力传感器、腰部陀螺仪、无线传输模块和两个分别连接在足底压力传感器与无线传输模块之间、腰部陀螺仪及无线传输模块之间的一号下位机、二号下位机，所述无线传输模块与上位机1相连，上位机1根据收到的信号综合判定下肢外骨骼所处步态。
所述足底压力传感器包括鞋底、九号压力传感器及微控制器。
所述关节驱动控制模块5包括四条结构相同的液压支路，四条液压支路分别对应包括一号伺服比例阀3011和与一号伺服比例阀3011连接的左髋关节液压缸3031、二号伺服比例阀3012和与二号伺服比例阀3012连接的左膝关节液压缸3032、三号伺服比例阀3013和与三号伺服比例阀3013连接的右膝关节液压缸3033、四号伺服比例阀3014和与四号伺服比例阀3014连接的右髋关节液压缸3034，所述一号伺服比例阀3011、二号伺服比例阀3012、三号伺服比例阀3013和四号伺服比例阀3014共同连接有一个D/A转换装置，所述D/A转换装置连接在上位机1上。所述D/A转换模块将上位机1输出的数字信号转换为一号伺服比例阀3011至四号伺服比例阀3014的模拟输入电压-10V～10V。
所述能量回收控制模块4包括两个结构相同的子模块，两个子模块分别对应包括一号蓄能器2051和二号蓄能器2052，所述一号蓄能器2051连接有一号电磁换向阀2011和一号液控换向阀2031、所述二号蓄能器2052连接有二号电磁换向阀2012和二号液控换向阀2032，所述一号液控换向阀2031和二号液控换向阀2032均与上位机1相连。
如图2所示，所述伺服电机103驱动模块3包括伺服电机103和与伺服电机103相连的变量泵106，变量泵106通过联轴器与伺服电机103连接，变量泵106连接有油箱101，变量泵106将油箱101中油液经由过滤器1072及调压回路输出到液压管路。其中，调压回路包括压力表1010、溢流阀1011以及4个单向阀10121～10124。
所述伺服电机103由上位机1内部PWM功能输出的PWM信号控制。PWM信号占空比取决于下肢外骨骼所处步态，占空比大小可通过修改主程序内变量实现。
所述位移传感器检测模块6包括对应反馈左髋关节液压缸3031、左膝关节液压缸3032、右膝关节液压缸3033、右髋关节液压缸3034的推杆位移信息的一号位移传感器3044、二号位移传感器3043、三号位移传感器3042和四号位移传感器3041。
所述压力传感器检测模块7包括对应反馈左髋关节液压缸3031、左膝关节液压缸3032、右膝关节液压缸3033、右髋关节液压缸3034的进、出口处油液压力的一号压力传感器3021、二号压力传感器3022、三号压力传感器3023、四号压力传感器3024、五号压力传感器3025、六号压力传感器3026、七号压力传感器3027和八号压力传感器3028。
连杆关节一体化液压驱动外骨骼控制系统的控制方法，包括以下步骤：
(1)行走步态信息检测：所述一号下位机和二号下位机分别对应采集足底压力传感器及腰部陀螺仪的反馈信息，综合判定下肢外骨骼当前步态，利用无线传输模块传递至上位机1内；
(2)电液驱动系统功率设定：利用上位机1采集位移传感器检测模块6和压力传感器检测模块7的数据信息，分析下肢外骨骼所处步态和助力需求，通过调整上位机1的脉宽调制功能输出的PWM信号占空比，调整伺服电机103转速，从而调整变量泵106流量；
(3)蓄能器工作模式匹配：利用上位机1采集位移传感器检测模块6和压力传感器检测模块7的数据信息，分析下肢外骨骼所处步态和需求，由上位机1输出的I/O量控制一号电磁换向阀2011和二号电磁换向阀2012，使能一号蓄能器2051和二号蓄能器2052进行能量供给或能量收集动作；
(4)执行机构位置、速度伺服：分析下肢外骨骼所处步态，同时进行下一时刻的步态规划，由上位机1输出控制信号给各伺服比例阀，控制油液流量，从而控制对应的各关节液压缸完成位置与力调整的伺服驱动；
(5)执行机构助力位置检测：根据下肢外骨骼规划的步态，由各个位移传感器反检测对应各关节液压缸的推杆所到达位置，然后根据规划的步态与实际各推杆所处位置之间的差距，匹配合适的助力效果。
在所述能量回收控制模块4工作时，当所述步态信息检测模块2工作中检测到人体处于一条腿支撑，另一条腿离开地面状态时，主回路切换至所述能量回收控制模块4，供给对应关节驱动模块流量和压力油液，当所述步态检测模块检测到人体处于一条腿支撑，另一条腿接触地面状态时，主回路切换至所述能量回收控制模块4，储存对应关节驱动模块多余油液。
根据人体主要行走特点，将步态大体分为2个阶段：双腿支撑阶段和单腿支撑阶段，其中单腿支撑又分三阶段：单腿离地，单腿摆动，单腿触地。以右腿支撑为例，共4阶段，控制系统流程如图3所示。
见图3，关于步态信息检测模块2，人体步态信息检测模块由足底压力传感器及腰部陀螺仪构成。定义腰部陀螺仪某一轴向延人体冠状面水平向右，根据检测到的位移值判定下肢外骨骼所处阶段。当检测到位移值为0±A时，判定下肢外骨骼为双腿站立或双腿支撑状态；当检测到位移值>A时，判定下肢外骨骼为右腿支撑状态；当检测到位移值<－A时，判定下肢外骨骼为左腿支撑状态，其中A为实验测试所得的控制阈值。
在腰部陀螺仪判定基础上，再由足底压力传感器做进一步判定。以右腿支撑为例，当检测到左腿足底所有的九号压力传感器值均为0时，判定下肢外骨骼左腿处迈步阶段；当检测到左腿仅前脚掌上九号压力传感器有值时，判定下肢外骨骼处离地阶段；当检测到左腿仅后脚掌上九号压力传感器有值时，判定下肢外骨骼处触地阶段。
当人体处双腿支撑阶段，左/右髋关节及左/右膝关节转动幅度小、运动速度慢，双腿共同承受身体总负载，故图1中所述各关节液压缸所需流量小，各关节液压缸的推杆承受压力为总负载一半，所需油液压力小。此时调整上位机1内程序变量，减小输出PWM信号占空比，减小基站伺服电机103转速，从而减小液压基站的输出流量。
当人体处单腿离地过程，时间短，加速度大，左腿膝关节与左腿髋关节转角瞬间增大，角加速度大，且切换至右腿单腿承受身体总负载。图1中所示左髋关节液压缸3031和左膝关节液压缸3032所需流量大，所示右膝关节液压缸3033和右髋关节液压缸3034推杆所需油压增大。为避免造成系统瞬间不稳定，上位机1输出I/O量，使一号电磁换向阀2011处左位，切换至能量回收控制模块4中提供瞬间所需大流量、大压力油液。同时调整上位机1内程序变量，增大输出的PWM信号占空比，增大基站伺服电机103转速，来增大液压基站输出流量。当液压基站流量及油液压力均升高后，再由上位机1输出I/O量，使一号电磁换向阀2011处右位，由能量回收控制模块4切换至液压基站供油。
左腿离地阶段结束后，过渡到单腿摆动阶段。摆动阶段左腿膝关节和左腿髋关节转角幅度大，速度快，右腿膝关节和右腿髋关节转角幅度小，速度慢，但承受总负载。图1中所示的液压缸3031和液压缸3032所需流量大，液压缸3033和液压缸3034推杆承所需油压大。通过调整上位机1，增大输出PWM信号的占空比，增大基站伺服电机103转速，来增大液压基站输出流量。
左腿摆动阶段结束后，过渡到单腿触地阶段。单腿触地时，所用时间短，关节减速快，此时左腿膝关节和左腿髋关节速度瞬间减小，且切换至双腿承受身体总负载。图1中所示左髋关节液压缸3031和左膝关节液压缸3032所需流量瞬间减小，所示右膝关节液压缸3033和右髋关节液压缸3034推杆承所需油压瞬间减小。过多油液将造成系统油管压力升高，为保证系统安全及节省能耗，将上位机1的输出I/O量控制二号电磁比例阀2012处于右位，让多余压力油液回收至二号蓄能器2052。同时通过调整上位机1，减小输出PWM信号占空比，减小基站伺服电机103转速，减小液压基站输出流量。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.连杆关节一体化液压驱动外骨骼控制系统，包括上位机(1)、步态信息检测模块(2)、伺服电机(103)驱动模块(3)、能量回收控制模块(4)、关节驱动控制模块(5)、位移传感器检测模块(6)及压力传感器检测模块(7)，其特征在于：所述上位机(1)输出端分别与伺服电机(103)驱动模块(3)、能量回收控制模块(4)及关节驱动控制模块(5)输入端相连，上位机(1)输入端分别与步态信息检测模块(2)、位移传感器检测模块(6)及压力传感器检测模块(7)输出端相连。
2.根据权利要求1所述的连杆关节一体化液压驱动外骨骼控制系统，其特征在于：所述步态信息检测模块(2)包括足底压力传感器、腰部陀螺仪、无线传输模块和两个分别连接在足底压力传感器与无线传输模块之间、腰部陀螺仪及无线传输模块之间的一号下位机、二号下位机，所述无线传输模块与上位机(1)相连。
3.根据权利要求1所述的连杆关节一体化液压驱动外骨骼控制系统，其特征在于：所述关节驱动控制模块(5)包括四条结构相同的液压支路，四条液压支路分别对应包括一号伺服比例阀(3011)和与一号伺服比例阀(3011)连接的左髋关节液压缸(3031)、二号伺服比例阀(3012)和与二号伺服比例阀(3012)连接的左膝关节液压缸(3032)、三号伺服比例阀(3013)和与三号伺服比例阀(3013)连接的右膝关节液压缸(3033)、四号伺服比例阀(3014)和与四号伺服比例阀(3014)连接的右髋关节液压缸(3034)，所述一号伺服比例阀(3011)、二号伺服比例阀(3012)、三号伺服比例阀(3013)和四号伺服比例阀(3014)共同连接有一个D/A转换装置，所述D/A转换装置连接在上位机(1)上。
4.根据权利要求1所述的连杆关节一体化液压驱动外骨骼控制系统，其特征在于：所述能量回收控制模块(4)包括两个结构相同的子模块，两个子模块分别对应包括一号蓄能器(2051)和二号蓄能器(2052)，所述一号蓄能器(2051)连接有一号电磁换向阀(2011)和一号液控换向阀(2031)、所述二号蓄能器(2052)连接有二号电磁换向阀(2012)和二号液控换向阀(2032)，所述一号液控换向阀(2031)和二号液控换向阀(2032)均与上位机(1)相连。
5.根据权利要求1所述的连杆关节一体化液压驱动外骨骼控制系统，其特征在于：所述伺服电机(103)驱动模块(3)包括伺服电机(103)和与伺服电机(103)相连的变量泵(106)。
6.根据权利要求1所述的连杆关节一体化液压驱动外骨骼控制系统，其特征在于：所述位移传感器检测模块(6)包括一号位移传感器(3044)、二号位移传感器(3043)、三号位移传感器(3042)和四号位移传感器(3041)。
7.根据权利要求1所述的连杆关节一体化液压驱动外骨骼控制系统，其特征在于：所述压力传感器检测模块(7)包括一号压力传感器(3021)、二号压力传感器(3022)、三号压力传感器(3023)、四号压力传感器(3024)、五号压力传感器(3025)、六号压力传感器(3026)、七号压力传感器(3027)和八号压力传感器(3028)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的连杆关节一体化液压驱动外骨骼控制系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)行走步态信息检测：所述一号下位机和二号下位机分别对应采集足底压力传感器及腰部陀螺仪的反馈信息，综合判定下肢外骨骼当前步态，利用无线传输模块传递至上位机(1)内；
(2)电液驱动系统功率设定：利用上位机(1)采集位移传感器检测模块(6)和压力传感器检测模块(7)的数据信息，分析下肢外骨骼所处步态和助力需求，通过调整上位机(1)的脉宽调制功能输出的PWM信号占空比，调整伺服电机(103)转速，从而调整变量泵(106)流量；
(3)蓄能器工作模式匹配：利用上位机(1)采集位移传感器检测模块(6)和压力传感器检测模块(7)的数据信息，分析下肢外骨骼所处步态和需求，由上位机(1)输出的I/O量控制一号电磁换向阀(2011)和二号电磁换向阀(2012)，使能一号蓄能器(2051)和二号蓄能器(2052)进行能量供给或能量收集动作；
(4)执行机构位置、速度伺服：分析下肢外骨骼所处步态，同时进行下一时刻的步态规划，由上位机(1)输出控制信号给各伺服比例阀，控制油液流量，从而控制对应的各关节液压缸完成位置与力调整的伺服驱动；
(5)执行机构助力位置检测：根据下肢外骨骼规划的步态，由各个位移传感器反检测对应各关节液压缸的推杆所到达位置，然后根据规划的步态与实际各推杆所处位置之间的差距，匹配合适的助力效果。
9.根据权利要求8所述的连杆关节一体化液压驱动外骨骼控制系统的控制方法，其特征在于：在所述能量回收控制模块(4)工作时，当所述步态信息检测模块(2)工作中检测到人体处于一条腿支撑，另一条腿离开地面状态时，主回路切换至所述能量回收控制模块(4)，供给对应关节驱动模块流量和压力油液，当所述步态检测模块检测到人体处于一条腿支撑，另一条腿接触地面状态时，主回路切换至所述能量回收控制模块(4)，储存对应关节驱动模块多余油液。
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