CN108210243A - 一种辅助康复机器人液压阻尼阀开度的补偿装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种辅助康复机器人液压阻尼阀开度的补偿装置及其方法，涉及机器人控制技术领域，通过反馈电路将阀门开度的信号传送至中央控制器进行分析处理，并将反馈调节信号传至驱动模块，驱动模块根据反馈调节信号驱动所述伺服电机，控制调节机构对所述阻尼阀门开度产生的误差进行补偿；能够很好地对伺服电机控制的液压阻尼阀门进行实时、精确、灵敏的调节，使液压驱动系统的驱动力、驱动速度满足人体步态的需求，使人体步态更加自然。
Description
技术领域
本发明涉及机器人控制技术领域，具体涉及一种辅助康复机器人液压阻尼阀开度的补偿装置及其方法。
背景技术
伺服电机控制的数字阻尼阀门作为液压系统的阻尼控制部分，影响着步态行走的自然性。对于整个辅助康复机器人的液压驱动系统来说，主要是通过膝关节角度传感器、力传感器对人体在行走过程中的膝关节角度、腿部受力情况进行采集，最后经过中央控制器对信号进行分析处理，处理完的信号经外接电路传至驱动系统，最终控制伺服电机的运动。液压驱动系统在实际工作过程中，常常会出现步态行走不自然的情况，导致这一现象的主要原因是液压阻尼阀门控制存在迟滞、不精确等缺点。
发明内容
本发明目的在于提供一种辅助康复机器人液压阻尼阀开度的补偿装置及其方法，能够很好地对伺服电机控制的液压阻尼阀门进行实时、精确、灵敏的调节，使液压驱动系统的驱动力、驱动速度满足人体步态的需求，使人体步态更加自然。
本发明采取的技术方案是：
一种辅助康复机器人液压阻尼阀开度的补偿装置，包括：
感知模块：包括力传感器单元和膝关节角度传感器单元，所述力传感器单元用于采集在行走过程中人体重心变化引起的力信号，所述膝关节角度传感器单元用于采集人腿部膝关节的角度信号，并将采集的所述力信号和所述角度信号传至中央控制器；
中央控制器：对所述力信号和所述角度信号进行分析处理，产生控制信号并传至驱动模块；
驱动模块：包括伺服电机驱动电路和伺服电机，用于接收所述中央控制器的控制信号并控制调节机构动作；
调节机构：用于控制阻尼阀门的开度；
阻尼阀门；
反馈检测模块：包括反馈电路，用于将所述阻尼阀门上检测传感器产生的阻尼阀门开度信号反馈至所述中央控制器。
作为上述技术方案的进一步改进，所述调节机构为滚珠丝杠或啮合齿轮。
作为上述技术方案的进一步改进，所述检测传感器为光电编码器。
作为上述技术方案的进一步改进，所述阻尼阀门开度信号是由所述光电编码器反馈的所述滚珠丝杠的角位移信号。
作为上述技术方案的进一步改进，所述检测传感器为光栅传感器。
作为上述技术方案的进一步改进，所述阻尼阀门开度信号是由所述光栅传感器反馈的所述啮合齿轮的角位移信号。
一种辅助康复机器人液压阻尼阀开度的补偿方法，包括以下步骤：
信号采集：力传感器单元采集在行走过程中人体重心变化引起的力信号，膝关节角度传感器单元采集人腿部膝关节的角度变化的角度信号，并将采集的所述力信号和所述角度信号传至中央控制器；
阀门开度控制：所述中央控制器对所述力信号和所述角度信号进行分析处理，产生控制信号并传至驱动模块，所述驱动模块根据所述控制信号驱动伺服电机控制调节机构调节阻尼阀门开度，所述阻尼阀门上检测传感器产生阻尼阀门开度信号并传至反馈电路；
阀门反馈调节：所述反馈电路将所述阻尼阀门开度信号反馈至所述中央控制器，所述中央控制器对所述阻尼阀门开度信号进行分析处理，产生反馈调节信号并传至所述驱动模块；所述驱动模块根据所述反馈调节信号驱动所述伺服电机，控制所述调节机构对所述阻尼阀门开度产生的误差进行补偿。
作为上述技术方案的进一步改进，所述控制信号包括转向控制信号和脉冲控制信号，所述转向控制信号控制所述伺服电机正反转，所述脉冲控制信号控制所述伺服电机的转动圈数。
作为上述技术方案的进一步改进，所述驱动模块根据所述反馈调节信号驱动所述伺服电机控制所述调节机构对所述阻尼阀门开度产生的误差进行补偿，具体为：所述伺服电机每运行一次，将所述阻尼阀门开度信号传至所述中央控制器，所述中央控制器将所述阻尼阀门开度信号与预设值相比较，若相同，所述中央控制器向所述驱动模块发出补偿脉冲进行修正。
作为上述技术方案的进一步改进，所述中央控制器向所述驱动模块发出补偿脉冲进行修正，具体为：所述中央控制器通过所述伺服电机的正转或反转确定进行正补偿或负补偿，若为所述正补偿则增加一个所述补偿脉冲，若为所述负补偿则减去一个所述补偿脉冲。
本发明的有益效果是：一种辅助康复机器人液压阻尼阀开度的补偿装置及其方法，通过反馈电路将阀门开度的信号传送至中央控制器进行分析处理，并将反馈调节信号传至驱动模块，驱动模块根据反馈调节信号驱动所述伺服电机，控制调节机构对所述阻尼阀门开度产生的误差进行补偿；能够很好地对伺服电机控制的液压阻尼阀门进行实时、精确、灵敏的调节，使液压驱动系统的驱动力、驱动速度满足人体步态的需求，使人体步态更加自然。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
图1是本发明一种辅助康复机器人液压阻尼阀开度的补偿方法的一种优选实施例的流程图。
图2是图1中误差补偿的算法流程图。
图3是本发明一种辅助康复机器人液压阻尼阀开度的补偿方法的另一种优选实施例的流程图。
图4是图3中误差补偿的算法流程图。
图5是本发明一种辅助康复机器人液压阻尼阀开度的补偿装置的一种优选实施例的结构图。
图6是本发明一种辅助康复机器人液压阻尼阀开度的补偿装置的另一种优选实施例的结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1为一种辅助康复机器人液压阻尼阀开度的补偿方法的一种优选实施例的流程图，本实施例包括以下步骤：
S101：信号采集：力传感器单元采集在行走过程中人体重心变化引起的力信号，膝关节角度传感器单元采集人腿部膝关节的角度变化的角度信号，并将采集的所述力信号和所述角度信号传至中央控制器；
S102：阀门开度控制：所述中央控制器对所述力信号和所述角度信号进行分析处理，产生控制信号并传至驱动模块，所述驱动模块根据所述控制信号驱动伺服电机控制滚珠丝杠调节阻尼阀门开度，所述阻尼阀门上光电编码器产生阻尼阀门开度信号并传至反馈电路；
S103：阀门反馈调节：所述反馈电路将由所述光电编码器反馈的所述滚珠丝杠的角位移信号反馈至所述中央控制器，所述中央控制器对所述阻尼阀门开度信号进行分析处理，产生反馈调节信号并传至所述驱动模块；所述驱动模块根据所述反馈调节信号驱动所述伺服电机，控制所述滚珠丝杠对所述阻尼阀门开度产生的误差进行补偿。
其中，所述控制信号包括转向控制信号和脉冲控制信号，所述转向控制信号控制所述伺服电机正反转，所述脉冲控制信号控制所述伺服电机的转动圈数。
进一步地描述，在阀门反馈调节步骤S103中，为了修正误差，需要确定滚珠丝杠导程累积误差，然后根据滚珠丝杠导程累积误差，当滚珠丝杠导程累积误差增加或减小单位脉冲当量时，便在滚珠丝杠上标定该点，将该点相对于绝对零点的直线位移数值及相应的导程累积误差值存入反馈系统中计数据区储存地址中，以便于补偿时查询调用；当伺服电机每走一步，中央控制器由光电编码器反馈的滚珠丝杠角位移信号，确定并记录滚珠丝杠的直线位移，同时查询存储的位移及导程累积误差的数值；当滚珠丝杠工作时的位移到了存储的位移，中央控制器发出补偿脉冲进行修正，即滚珠丝杠的导程累积误差需进行补偿时，中央控制器增加一个脉冲；需进行负补偿时，由中央控制器减去一个脉冲；滚珠丝杠的导程累积误差在整个行程上始终不超过一个脉冲当量。
如图2所示为一种实施例误差补偿的算法流程图。设定位移P1为设定的滚珠丝杠位移的数据存储区指针；P2为对应导程误差的存储区指针。当伺服电机驱动调节机构运动时，由于调节机构的安装误差与加工误差以及装配误差，导致调节机构在实际工作过程中会存在位移误差，将使阻尼阀门的开度存在误差，影响人体行走过程中，步态的自然性与稳定性。其补偿过程如下：当补偿开始时，确定滚珠丝杠位移的数据与对应导程误差，将二者储存至对应的数据存储区储存地址P1和P2中。判断滚珠丝杠位移是否等于P1数据存储区指针中的数据，若不相等，则直接返回；若相等，则取对应P2的对应导程误差值，即P2存储区指针中对应的值。接着将补偿脉冲发送出去，到伺服电机驱动电路接收补偿脉冲，以此来驱动伺服电机运动。判断伺服电机正反转，若伺服电机正转，则位移指向P1+1数据存储区指针中滚珠丝杆位移，同时导程误差值取对应P2+1数据存储区指针中的导程误差值。相反，若伺服电机反转，则位移指向P1-1数据存储区指针中滚珠丝杆位移，同时导程误差值取对应P2-1数据存储区指针中的导程误差值。此时误差补偿完毕，返回至初始状态。
参照图3为一种辅助康复机器人液压阻尼阀开度的补偿方法的另一种优选实施例的流程图，本实施例包括以下步骤：
S201：信号采集：力传感器单元采集在行走过程中人体重心变化引起的力信号，膝关节角度传感器单元采集人腿部膝关节的角度变化的角度信号，并将采集的所述力信号和所述角度信号传至中央控制器；
S202：阀门开度控制：所述中央控制器对所述力信号和所述角度信号进行分析处理，产生控制信号并传至驱动模块，所述驱动模块根据所述控制信号驱动伺服电机控制啮合齿轮调节阻尼阀门开度，所述阻尼阀门上光栅传感器产生阻尼阀门开度信号并传至反馈电路；
S203：阀门反馈调节：所述反馈电路将由所述光栅传感器反馈的所述啮合齿轮的角位移信号反馈至所述中央控制器，所述中央控制器对所述阻尼阀门开度信号进行分析处理，产生反馈调节信号并传至所述驱动模块；所述驱动模块根据所述反馈调节信号驱动所述伺服电机，控制所述啮合齿轮对所述阻尼阀门开度产生的误差进行补偿。
其中，所述控制信号包括转向控制信号和脉冲控制信号，所述转向控制信号控制所述伺服电机正反转，所述脉冲控制信号控制所述伺服电机的转动圈数。
进一步地描述，在阀门反馈调节步骤S203中，为了准确修正误差，需准确确定齿轮啮合的累积误差，然后根据滚珠丝杠导程累积误差，当齿轮啮合累积误差增加或减小单位脉冲当量时，便在啮合齿轮上标定该点，将该点相对于绝对零点的直线位移数值及相应的导程累积误差值存入反馈系统中计数据区储存地址中，以便于补偿时查询调用；伺服电机每走一步,中央控制器由光栅传感器反馈的啮合齿轮角位移信号，确定并记录啮合齿轮的圆周角位移，同时查询存储的角位移及角位移累积误差的数值；当啮合齿轮工作时的角位移到了存储的角位移值时，中央控制器发出补偿脉冲进行修正，即啮合齿轮的角位移累积误差需进行补偿时，由中央控制器增加一个脉冲；需进行负补偿时，由中央控制器减去一个脉冲；使啮合齿轮的角位移累积误差在整个行程上始终不超过一个脉冲当量。
如图4所示为另一种实施例误差补偿的算法流程图。设定位移P3为设定的啮合齿轮角位移的数据存储区指针；P4为对应角位移误差的存储区指针。当伺服电机驱动调节机构运动时，由于调节机构的安装误差与加工误差以及装配误差，导致调节机构在实际工作过程中会存在位移误差，将使阻尼阀门的开度存在误差，影响人体行走过程中，步态的自然性与稳定性。其补偿过程如下：当补偿开始时，确定啮合齿轮角位移的数据与对应角位移误差，将二者储存至对应的数据存储区储存地址P3和P4中。判断啮合齿轮角位移是否等于P3数据存储区指针中的数据，若不相等，则直接返回；若相等，则取对应P4的对应导程误差值，即P4存储区指针中对应的值。接着将补偿脉冲发送出去，到伺服电机驱动电路接收补偿脉冲，以此来驱动伺服电机运动。判断伺服电机正反转，若伺服电机正转，则位移指向P3+1数据存储区指针中啮合齿轮角位移，同时导程误差值取对应P4+1数据存储区指针中的导程误差值。相反，若伺服电机反转，则位移指向P3-1数据存储区指针中啮合齿轮角位移，同时导程误差值取对应P4-1数据存储区指针中的导程误差值。此时误差补偿完毕，返回至初始状态。
参照图5为本发明一种辅助康复机器人液压阻尼阀开度的补偿装置一种优选实施例结构图。一种辅助康复机器人液压阻尼阀开度的补偿装置100，包括：
感知模块10：包括力传感器单元和膝关节角度传感器单元，所述力传感器单元用于采集在行走过程中人体重心变化引起的力信号，所述膝关节角度传感器单元用于采集人腿部膝关节的角度信号，并将采集的所述力信号和所述角度信号传至中央控制器；
中央控制器20：对所述力信号和所述角度信号进行分析处理，产生控制信号并传至驱动模块；
驱动模块30：包括伺服电机驱动电路和伺服电机，用于接收所述中央控制器的控制信号并控制滚珠丝杠动作；
调节机构40：为滚珠丝杠，用于控制阻尼阀门60的开度；
阻尼阀门60；
反馈检测模块50：包括反馈电路，用于将由光电编码器反馈的所述滚珠丝杠的角位移信号反馈至所述中央控制器。
参照图6为本发明一种辅助康复机器人液压阻尼阀开度的补偿装置另一种优选实施例结构图。一种辅助康复机器人液压阻尼阀开度的补偿装置200，包括：
感知模块11：包括力传感器单元和膝关节角度传感器单元，所述力传感器单元用于采集在行走过程中人体重心变化引起的力信号，所述膝关节角度传感器单元用于采集人腿部膝关节的角度信号，并将采集的所述力信号和所述角度信号传至中央控制器；
中央控制器21：对所述力信号和所述角度信号进行分析处理，产生控制信号并传至驱动模块；
驱动模块31：包括伺服电机驱动电路和伺服电机，用于接收所述中央控制器的控制信号并控制啮合齿轮动作；
调节机构41：为啮合齿轮，用于控制阻尼阀门61的开度；
阻尼阀门61；
反馈检测模块51：包括反馈电路，用于将由光栅传感器反馈的所述啮合齿轮的角位移信号反馈至所述中央控制器。
进一步的，中央控制器20或中央控制器21对信号进行分析处理，经过处理后的信号分成两路控制信号，一路是控制伺服电机正反转的信号，一路是脉冲控制，主要是控制伺服电机的转动圈数，两路信号同时驱动模块30或驱动模块31，驱动模块30或驱动模块31驱动伺服电机，控制滚珠丝杠或啮合齿轮对阻尼阀门60、61开度进行精确、灵敏的调节。
本发明一种辅助康复机器人液压阻尼阀开度的补偿装置及其方法的实施例，通过采集力传感器和膝关节角度传感器的信号传至中央控制器20、21，经过处理后的控制信号控制驱动模块30、31控制调节机构40或调节机构41对阻尼阀门60、61开度进行调节；而增设反馈电路将由光电编码器或光栅传感器反馈的阀门开度信号传送至中央控制器20、21进行分析处理，并将信号反馈至驱动模块30、31，由伺服电机控制滚珠丝杠或啮合齿轮对产生的误差进行补偿；能够很好地对伺服电机控制的液压阻尼阀门60、61进行实时、精确、灵敏的调节，使液压驱动系统的驱动力、驱动速度满足人体步态的需求，使人体步态更加自然。
以上具体结构是对本发明的较佳实施例进行了具体的说明，但本发明创造不限于所述的实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可以做出种种的等同变形或者替换，这些等同的变形或者替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种辅助康复机器人液压阻尼阀开度的补偿装置，其特征在于，包括：
感知模块：包括力传感器单元和膝关节角度传感器单元，所述力传感器单元用于采集在行走过程中人体重心变化引起的力信号，所述膝关节角度传感器单元用于采集人腿部膝关节的角度信号，并将采集的所述力信号和所述角度信号传至中央控制器；
中央控制器：对所述力信号和所述角度信号进行分析处理，产生控制信号并传至驱动模块；
驱动模块：包括伺服电机驱动电路和伺服电机，用于接收所述中央控制器的控制信号并控制调节机构动作；
调节机构：用于控制阻尼阀门的开度；
阻尼阀门；
反馈检测模块：包括反馈电路，用于将所述阻尼阀门上检测传感器产生的阻尼阀门开度信号反馈至所述中央控制器。
2.根据权利要求1所述的一种辅助康复机器人液压阻尼阀开度的补偿装置，其特征在于：所述调节机构为滚珠丝杠或啮合齿轮。
3.根据权利要求1所述的一种辅助康复机器人液压阻尼阀开度的补偿装置，其特征在于：所述检测传感器为光电编码器。
4.根据权利要求3所述的一种辅助康复机器人液压阻尼阀开度的补偿装置，其特征在于：所述阻尼阀门开度信号是由所述光电编码器反馈的所述滚珠丝杠的角位移信号。
5.根据权利要求1所述的一种辅助康复机器人液压阻尼阀开度的补偿装置，其特征在于：所述检测传感器为光栅传感器。
6.根据权利要求5所述的一种辅助康复机器人液压阻尼阀开度的补偿装置，其特征在于：所述阻尼阀门开度信号是由所述光栅传感器反馈的所述啮合齿轮的角位移信号。
7.一种辅助康复机器人液压阻尼阀开度的补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
信号采集：力传感器单元采集在行走过程中人体重心变化引起的力信号，膝关节角度传感器单元采集人腿部膝关节的角度变化的角度信号，并将采集的所述力信号和所述角度信号传至中央控制器；
阀门开度控制：所述中央控制器对所述力信号和所述角度信号进行分析处理，产生控制信号并传至驱动模块，所述驱动模块根据所述控制信号驱动伺服电机控制调节机构调节阻尼阀门开度，所述阻尼阀门上检测传感器产生阻尼阀门开度信号并传至反馈电路；
阀门反馈调节：所述反馈电路将所述阻尼阀门开度信号反馈至所述中央控制器，所述中央控制器对所述阻尼阀门开度信号进行分析处理，产生反馈调节信号并传至所述驱动模块；所述驱动模块根据所述反馈调节信号驱动所述伺服电机，控制所述调节机构对所述阻尼阀门开度产生的误差进行补偿。
8.根据权利要求7所述的一种辅助康复机器人液压阻尼阀开度的补偿方法，其特征在于：所述控制信号包括转向控制信号和脉冲控制信号，所述转向控制信号控制所述伺服电机正反转，所述脉冲控制信号控制所述伺服电机的转动圈数。
9.根据权利要求7所述的一种辅助康复机器人液压阻尼阀开度的补偿方法，其特征在于：所述驱动模块根据所述反馈调节信号驱动所述伺服电机控制所述调节机构对所述阻尼阀门开度产生的误差进行补偿，具体为：所述伺服电机每运行一次，将所述阻尼阀门开度信号传至所述中央控制器，所述中央控制器将所述阻尼阀门开度信号与预设值相比较，若相同，所述中央控制器向所述驱动模块发出补偿脉冲进行修正。
10.根据权利要求7所述的一种辅助康复机器人液压阻尼阀开度的补偿方法，其特征在于：所述中央控制器向所述驱动模块发出补偿脉冲进行修正，具体为：所述中央控制器通过所述伺服电机的正转或反转确定进行正补偿或负补偿，若为所述正补偿则增加一个所述补偿脉冲，若为所述负补偿则减去一个所述补偿脉冲。
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| CN201711332202.6A CN108210243A (zh) | 2017-12-13 | 2017-12-13 | 一种辅助康复机器人液压阻尼阀开度的补偿装置及其方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108210243A true CN108210243A (zh) | 2018-06-29 |
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| CN201711332202.6A Pending CN108210243A (zh) | 2017-12-13 | 2017-12-13 | 一种辅助康复机器人液压阻尼阀开度的补偿装置及其方法 |
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1957862A (zh) * | 2006-11-06 | 2007-05-09 | 上海理工大学 | 跟随健康腿步速控制的智能膝上假肢系统 |
| CN101439738A (zh) * | 2008-10-31 | 2009-05-27 | 北京理工大学 | 防止仿人机器人前后倾斜的运动规划方法和装置 |
| CN101636142A (zh) * | 2007-03-22 | 2010-01-27 | 国立大学法人筑波大学 | 康复训练辅助装置 |
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-
2017
- 2017-12-13 CN CN201711332202.6A patent/CN108210243A/zh active Pending
Patent Citations (5)
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