CN108942887A - 一种下肢助力外骨骼机器人的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种下肢助力外骨骼机器人的控制系统，包括处理模块、操作模块、传感模块和供电模块，其中所述处理模块包括检测电路、系统管理单元、第一电路、第二电路和驱动单元。本发明所述第一安全模块输出的所述第一急停信号经所述系统管理单元和所述第一电路对所述驱动单元进行软件急停操作，所述第二安全模块输出的所述第二急停信号不经所述系统管理单元，而是通过所述第一电路和所述第二电路对所述驱动单元进行硬件急停操作，避免了现有技术中由于安全应急系统的生效仅依赖于软件系统的检测和控制造成的安全性欠佳的问题，进一步保障了穿戴者的安全。

Description

一种下肢助力外骨骼机器人的控制系统

技术领域

本发明涉及外骨骼机器人技术领域，尤其涉及一种下肢助力外骨骼机器人的控制系统。

背景技术

下肢助力外骨骼机器人是能够与使用者有机结合在一起的可穿戴式助力装置。其根据人体工程学和生物医学的拟人化思想设计，模拟正常人体下肢步态的运动形式，以帮助下肢有运动功能障碍的人群恢复行走能力。其中，具有柔性的下肢助力外骨骼机器人充分考虑了柔性外骨骼与人的作用方式，通过选择与人体承压能力且不影响关节运动的区域接触，采用小质量或小惯量运动零件或柔性关节等设计方法，提高了可穿戴性能。

控制系统是外骨骼机器人中体现人机智能结合的重要组成部分，安全性则是外骨骼机器人的重要评价指标之一。现有技术通常将缓冲机构等安全应急装置耦合到外骨骼机器人的结构中，结合控制系统的对相关结构的运动形式进行控制，以避免发生的紧急情况对使用者造成的人身伤害。例如公告号为CN105142445B的中国发明专利揭示了一种用于保护步态矫正装置及用户免受损伤的方法，该方法将多个安全气袋模块耦合到外骨骼的临近使用者头部、骨盆、臀部或膝盖等易发生撞击的位置，当遇到外部障碍或发生设备故障会造成跌倒时，控制器检测外骨骼在跌倒时位置及方向，结合安全气袋模块的已知位置对外骨骼进行重新定向，将跌倒的撞击方向引导到合适的安全气袋模块并触发安全气袋弹出以吸收撞击时的能量。但上述方法并不能有效阻止外骨骼的跌倒且安全气袋的触发依赖于控制器的控制，一旦控制器失效，仍会对使用者造成人身伤害，安全性欠佳。

公布号为CN106726358A的中国发明专利申请揭示了一种立式下肢康复训练机器人，该机器人的控制箱上设置有电源开关和急停开关以用于机器人电源通断及遇到紧急情况时急停，但该专利申请没有给出具体的实施方法和控制原理。

因此，有必要开发一种新型的下肢助力外骨骼机器人控制系统以解决现有技术中由于安全应急系统的生效依赖于软件系统的检测和控制造成的安全性欠佳的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种下肢助力外骨骼机器人的控制系统，通过设置双安全单元以避免现有技术中由于安全应急装置的触发依赖于软件系统的检测和控制造成的安全性欠佳的问题。

为实现上述目的，本发明下肢助力外骨骼机器人的控制系统，包括处理模块、操作模块、传感模块和供电模块。所述供电模块用于向所述操作模块、所述处理模块和所述传感模块输送电能；所述操作模块用于向所述处理模块发送操作指令信息；所述传感模块用于获取穿戴者的步态信息并上传至所述处理模块；所述处理模块用于根据所述操作指令或所述步态信息控制所述下肢助力外骨骼机器人的运行状态。所述处理模块包括检测电路、软件管理单元、第一电路、第二电路和驱动单元，所述控制系统包括第一安全模块和第二安全模块。所述第一安全模块用于通过所述检测电路输出第一急停信号，所述第二安全模块用于通过所述检测电路输出第二急停信号；所述检测电路用于将所述第一急停信号输出给所述软件管理单元，所述软件管理单元用于根据所述第一急停信号控制所述第一电路对所述驱动单元进行软件急停操作；所述检测电路用于将所述第二急停信号输出给所述第一电路和所述第二电路以对所述驱动单元进行硬件急停操作。

本发明所述控制系统的有益效果在于：所述控制系统设置了双安全模块，即所述第一安全模块和所述第二安全模块，所述第一安全模块输出的所述第一急停信号经所述系统管理单元和所述第一电路实现对所述驱动单元的所述软件急停操作，且所述第二安全模块输出的所述第二急停信号不经所述系统管理单元，而是通过所述第一电路和所述第二电路也能实现对所述驱动单元的控制。因此，当所述系统管理单元失效时，通过所述第二开关单元也能实现对所述控制系统的急停操作，避免了现有技术中由于安全应急装置的触发依赖于软件系统的检测和控制造成的安全性欠佳的问题，进一步保障了穿戴者的安全。

优选的，所述软件管理单元包括系统管理单元，所述驱动单元包括电机，所述第一电路包括第一或门电路、驱动电路和电子开关，所述第一急停信号经所述检测电路和所述系统管理单元输出给所述第一或门电路，所述第一或门电路向所述驱动电路输出所述第一急停信号，所述驱动电路根据所述第一急停信号关闭所述电子开关以切断所述电机的电源，实现所述软件急停操作。其有益效果在于：相比现有技术的所有信号均直接由主处理单元进行处理和下达指令，本发明设置所述系统管理单元来处理所述第一急停信号，一方面减轻了所述主处理单元的负担，另一方面也提高了所述控制系统对急停信号的响应速度，提升了所述下肢助力外骨骼机器人的安全性。

优选的，所述软件管理单元包括主处理单元，所述系统管理单元将所述操作指令发送给所述主处理单元，所述传感模块将所述步态信息发送给所述主处理单元，所述主处理单元根据所述操作指令和所述步态信息通过所述驱动单元控制所述下肢助力外骨骼机器人的所述运行状态。其有益效果在于：相比现有技术的所有信号均由主处理单元进行处理和下达指令，本发明设置所述系统管理单元与所述主处理单元进行信息交互，减轻了所述主处理单元的负担，也提高了所述控制系统对信号的响应速度。

进一步优选的，所述主处理单元包括ARM处理器、第一串口、第二串口和SPI转换接口，所述第一串口用于连接所述系统管理模块，所述第二串口用于连接所述驱动单元，所述SPI转换接口用于连接所述传感模块，所述ARM处理器根据所述操作指令和所述步态信息控制所述下肢助力外骨骼机器人的所述运行状态。

优选的，所述驱动单元包括电机，所述第二电路包括第二或门电路，所述检测电路将所述第二急停信号输出给所述第二或门电路，所述第二或门电路输出所述第二急停信号以关闭所述电机的使能脚。其有益效果在于：第二或门电路使得所述第二急停信号得以输出并不经过所述系统管理单元就能够关闭所述使能脚，保障了穿戴者的安全。

进一步优选的，所述检测电路向所述第一或门电路输出所述第二急停信号，所述驱动电路根据所述第一或门电路输送的所述第二急停信号关闭所述电子开关以切断所述电机的电源。其有益效果在于：所述第二急停信号不经过所述系统管理单元就能够得以输出并关闭所述电机的电源，进一步保障了穿戴者的安全。

进一步优选的，所述电子开关为金属-氧化物半导体场效应晶体管。其有益效果在于：相比传统的继电器开关，所述金属-氧化物半导体场效应晶体管具有体积小、无噪声、电流大和损耗小的优势。

优选的，所述第一安全模块包括至少两个开关按键，至少两个所述开关按键通过集电极开路门电路并联连接。其有益效果在于：只要有一个所述开关按键输出所述第一急停信号，所述检测电路就能够检测到并输出，因此，除非所有的所述开关按键失效，所述系统管理单元均能对所述电机进行所述软件急停操作，进一步提高了所述控制系统的安全性。

优选的，所述第二安全模块包括至少两个急停按键，至少两个所述急停按键通过集电极开路门电路并联连接。其有益效果在于：只要有一个所述急停按键输出所述第二急停信号，所述检测单元就能够检测到并输出，因此，除非所有的所述急停按键失效，通过所述第一电路和第二电路就能够对所述电机进行所述硬件急停操作，进一步提高了所述控制系统的安全性。

优选的，所述第一安全模块包括一个开关按键，所述第二安全模块包括一个急停按键，所述开关按键和所述急停按键通过集电极开路门电路并联连接。其有益效果在于：所述开关按键或所述急停按键中的任意一个输出急停信号，所述检测单元就能够检测到并输出，以便于及时停止所述下肢助力外骨骼机器人的运行，提升了所述控制系统的安全性。

优选的，所述操作模块包括触控屏，所述触控屏能够显示停止按钮，所述停止按钮用于对所述控制系统进行所述软件急停操作。其有益效果在于：便于穿戴者通过所述触控屏对所述控制系统进行所述软件急停操作。

优选的，所述处理模块安装在盒体中，所述盒体的体积不大于0.0042m³，所述盒体的重量不大于2Kg。其有益效果在于：所述盒体的体积小，质量轻，方便穿戴，在遇到紧急情况时对穿戴者造成的影响小。

优选的，所述处理模块包括电源管理单元，所述供电模块向所述电源管理单元输送所述电能，所述电源管理单元将所述电能通过所述软件管理单元输送给所述控制系统并监控所述控制系统的用电情况。其有益效果在于：设置所述电源管理单元管理所述控制系统的用电情况，减轻了所述主处理单元的负担，有利于保证所述控制系统的正常稳定运行。

进一步优选的，所述供电模块包括电池保护单元，所述控制系统包括状态显示模块，所述电源管理单元中存储有所述处理模块、所述操作模块、所述传感模块和所述供电模块的预设功率范围值，所述电源管理单元采集所述控制系统的供电电压值和用电电流值并与所述预设功率范围进行比对，当所述供电电压值和所述用电电流值的乘积低于所述预设功率范围，所述电源管理单元通过所述状态显示模块显示所述控制系统出现异常情况。

本发明还提供了应用所述控制系统对下肢助力外骨骼机器人进行控制的控制方法，包括以下步骤：

S1：提供所述下肢助力外骨骼机器人，穿戴所述下肢助力外骨骼机器人，所述下肢助力外骨骼机器人包括所述控制系统，所述控制系统包括软件管理单元、第一安全模块和第二安全模块；

S2：启动所述下肢助力外骨骼机器人；

S3：运行所述下肢助力外骨骼机器人；

S4：判断是否需要停止所述下肢助力外骨骼机器人的运行；

S5：判断所述软件管理单元是否失效；

S6：通过所述第一安全模块对所述下肢助力外骨骼机器人进行软件急停操作；

S7：通过所述第二安全模块对所述下肢助力外骨骼机器人进行硬件急停操作。

本发明所述控制方法的有益效果在于：由于所述控制系统设置了双安全模块，即所述第一安全模块和所述第二安全模块，一方面，所述软件管理单元有效的情况下，通过所述第一安全模块能够实现对所述下肢助力外骨骼机器人的软件急停操作。另一方面，当所述软件管理单元失效时，通过所述第二安全模块能实现对所述下肢助力外骨骼机器人的硬件急停操作，避免了现有技术中由于安全应急装置的触发依赖于软件系统的检测和控制造成的安全性欠佳的问题，进一步保障了穿戴者的安全。

优选的，所述第一安全模块包括至少两个开关按键，至少两个所述开关按键同时处于接通状态时，才会启动所述下肢助力外骨骼机器人。其有益效果在于：两个所述开关按键同时处于接通状态时，才会启动所述下肢助力外骨骼机器人，即便于穿戴者和非穿戴者相互确认安全性后才会启动所述下肢助力外骨骼机器人，提升了下肢助力外骨骼机器人的穿戴安全性。

进一步优选的，至少两个所述开关按键中的任意一个处于断开状态，就能够停止所述下肢助力外骨骼机器人的运行。其有益效果在于：便于在紧急情况下，穿戴者或非穿戴者中的任意一个能够对所述下肢助力外骨骼机器人进行控制。

优选的，所述第二安全模块包括至少两个急停按键，至少两个所述急停按键中的任意一个处于接通状态，就能够停止所述下肢助力外骨骼机器人的运行。其有益效果在于：便于在紧急情况下，穿戴者或非穿戴者中的任意一个能够对所述下肢助力外骨骼机器人进行控制。

进一步优选的，至少两个所述急停按键均处于断开状态，能够使所述下肢助力外骨骼机器人恢复运行。其有益效果在于：便于穿戴者和非穿戴者相互确认安全性后才会启动所述下肢助力外骨骼机器人，提升了下肢助力外骨骼机器人的穿戴安全性。

优选的，所述第一安全模块包括一个开关按键，所述第二安全模块包括一个急停按键，所述开关按键处于接通状态或所述急停按键处于断开状态中的任意一种情况下能够启动所述下肢助力外骨骼机器人，所述急停按键处于接通状态或所述开关按键处于断开状态中的任意一种情况下能够停止所述下肢助力外骨骼机器人的运行。其有益效果在于：所述开关按键或所述急停按键中的任意一个输出急停信号，所述检测单元就能够检测到并输出，以便于及时停止所述下肢助力外骨骼机器人的运行，提升了所述控制系统的安全性。

附图说明

图1为本发明的控制系统的结构框图；

图2为本发明的安全模块与处理模块之间的逻辑框图；

图3为本发明的第一安全模块和处理模块间的逻辑框图；

图4为本发明的第二安全模块和处理模块间的逻辑框图；

图5为本发明的主处理单元的结构框图；

图6为本发明的传感模块的结构框图；

图7为本发明的控制系统对下肢助力外骨骼机器人进行控制的控制方法流程图；

图8为本发明的下肢助力外骨骼机器人在穿戴者身上的装配示意图；

图9为图8所示的盒体的正视图；

图10为图8所示的操作模块的正视图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。

针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供了一种下肢助力外骨骼机器人的控制系统。图1为本发明实施例的所述控制系统的结构框图。参照图1，所述控制系统1包括处理模块11、操作模块12、传感模块13和供电模块14。所述供电模块14用于通过所述处理模块11向所述操作模块12和所述传感模块13输送电能，所述操作模块12用于向所述处理模块11发送操作指令信息，所述传感模块13用于获取穿戴者的步态信息并上传至所述处理模块11，所述处理模块11用于根据所述操作指令或所述步态信息控制所述下肢助力外骨骼机器人的运行状态。

参照图1，所述处理模块11包括电源管理单元111、系统管理单元112、主处理单元113和驱动单元114，其中所述电源管理单元111、所述系统管理单元112和所述主处理单元113为软件管理单元。所述供电模块14将电能输送给所述电源管理单元111。一方面，所述电源管理单元111对所述电能进行DC/DC转换以供所述处理模块11、所述操作模块12和所述传感模块13使用，另一方面，所述电源管理单元111监测所述控制系统1的用电情况并上报给所述主处理单元113，减轻了所述主处理单元113的负担，有利于保证所述控制系统1的正常稳定运行。

所述系统管理单元112与所述操作模块12和所述驱动单元114进行信息交互，将所述操作模块12发送的所述操作指令信息以及所述驱动单元114发送的电位计数据反馈给所述主处理单元113。

所述传感模块13获取穿戴者的步态信息并上传给所述主处理单元。

所述主处理单元113根据所述操作指令信息、所述电位计数据和所述步态信息对所述驱动单元114进行控制，以控制所述下肢助力外骨骼机器人的运行状态。

所述供电模块14包括电池组141和电池保护单元142，所述电池保护单元142监测所述电池组141的状态，防止所述电池组141出现过充电或过放电的情况。

本发明一些具体的实施例中，所述电池组141采用分立可拆卸设计和高能量密度的锂聚合物电池，所述电池保护单元142为电池管理系统(Battery management systerm，BMS)，所述电源管理单元111通过DC/DC转换将所述电能转换为5V电源。

所述控制系统包括第一安全模块和第二安全模块。图2为本发明一些实施例的第一安全模块、第二安全模块与处理模块之间的逻辑框图。参照图2，处理模块23包括检测电路231、系统管理单元232、第一电路233、第二电路234和驱动单元235。第一安全模块21向所述检测电路231输出第一急停信号，所述检测电路231将所述第一急停信号输出给所述系统管理单元232，所述系统管理单元232根据所述第一急停信号控制所述第一电路233对所述驱动单元235进行软件急停操作。第二安全模块22向所述检测电路231输出第二急停信号，所述检测单元231将所述第二急停信号输出给所述第一电路233和所述第二电路234以对所述驱动单元235进行硬件急停操作。通过设置包括所述第一安全模块21和所述第二安全模块22的双安全模块，所述第一安全模块21输出的所述第一急停信号经软件管理单元，即所述系统管理单元232实现对所述驱动单元235的控制。即使所述系统管理单元232失效，所述第二安全模块22输出的所述第二急停信号通过所述第一电路233和所述第二电路234也能实现对所述驱动单元235的控制，避免了现有技术中由于安全应急装置的触发依赖于软件系统的检测和控制造成的安全性欠佳的问题，进一步保障了穿戴者的安全。

所述驱动单元包括电机，所述第一电路包括第一或门电路、驱动电路和电子开关。图3为本发明一些实施例的第一安全模块和处理模块之间的逻辑框图。参照图3，第一安全模块31包括第一开关按键311和第二开关按键312，第一电路32包括第一或门电路321、驱动电路322和电子开关323，所述第一开关按键311和所述第二开关按键312通过集电极开路门电路并联连接，所述第一开关按键311和所述第二开关按键312中的任意一个输出的第一急停信号由所述检测电路231和所述系统管理单元232输出给所述第一或门电路321，所述第一或门电路321向所述驱动电路322输出所述第一急停信号，所述驱动电路322根据所述第一急停信号控制所述电子开关323以关闭电机电源33，从而实现所述软件急停操作。因此，只要所述第一开关按键311和所述第二开关按键312中的任意一个可以操作，即使另一个失效，所述系统管理单元232也能关闭所述电机电源33以实现所述软件急停操作，进一步提高了所述控制系统的安全性。两个所述开关按键同时处于接通状态时，才会启动所述下肢助力外骨骼机器人。

本发明的一些实施例中，所述第一安全模块31包括至少三个开关按键，至少三个所述开关按键通过集电极开路门电路并联连接，至少三个所述开关按键同时处于接通状态时，才会启动所述下肢助力外骨骼机器人。本发明另一些实施例中，所述第一安全模块具有一个开关按键。

本发明一些实施例中，所述电子开关323为金属-氧化物半导体场效应晶体管。

所述第二电路包括第二或门电路。图4为本发明一些实施例的第二安全模块和处理模块之间的逻辑框图。参照图4，第二安全模块41包括第一急停按键411和第二急停按键412，所述第一急停按键411和所述第二急停按键422通过集电极开路门电路并联连接，所述第一急停按键411和所述第二急停按键412中的任意一个向所述检测电路231输出第二急停信号，所述检测电路231将所述第二急停信号输出给第二或门电路42，所述第二或门电路42输出所述第二急停信号以关闭电机使能脚43；同时所述检测电路231向所述第一或门电路321发送所述第二急停信号，所述第一或门电路321向所述驱动电路322输出所述第二急停信号，所述驱动电路322根据所述第二急停信号控制所述电子开关323关闭所述电机电源33，从而完成所述硬件急停操作。因此，即使所述系统管理单元232失效，只要所述第一开关按键311和所述第二开关按键312中的任意一个可以操作，通过所述第一或门电路321、所述驱动电路322和所述电子开关323关闭所述电机电源33，同时通过所述第二或门电路42关闭所述电机使能脚43就能够实现所述硬件急停操作，进一步提高了所述控制系统的安全性。两个所述急停按键均处于断开状态，能够使所述下肢助力外骨骼机器人恢复运行。

本发明一些实施例中，所述第二安全模块41包括至少三个急停按键，至少三个所述急停按键通过集电极开路门电路并联连接。本发明另一些实施例中，所述第二安全模块41具有一个急停按键。

图5为本发明一些实施例中主处理单元的结构框图。参照图1和图5，主处理单元5包括ARM微处理器51、第一串口52、第二串口53和SPI转换接口54。所述第一串口52连接所述系统管理单元112，所述第二串口53连接所述驱动单元114，所述SPI转换接口54连接所述传感模块13，所述ARM处理器511根据所述操作指令和所述步态信息控制所述下肢助力外骨骼机器人的所述运行状态。

图6为本发明一些实施例中传感模块的结构框图。参照图5和图6，传感模块6包括现场总线61、第一传感单元62、第二传感单元63和第三传感单元64。所述第一传感单元62安装在穿戴者腰部，包括第一惯性传感器621和第一微处理器622，所述第一惯性传感器621获取第一步态数据，经数据处理后发送至所述第一微处理器622。所述第二传感单元63安装在穿戴者的左腿，包括安装在左小腿的第二微处理器631、安装在左脚踝关节的第一拉力传感器632、安装在左小腿的第二惯性传感器633、安装在左脚面的第三惯性传感器634和安装在左脚脚底的第一压力传感器组635。所述第三传感单元64安装在穿戴者的右腿，包括安装在右小腿的第三微处理器641、安装在右脚踝关节的第二拉力传感器642、安装在右小腿的第四惯性传感器643、安装在右脚脚面的第五惯性传感器644和安装在右脚脚底的第二压力传感器组645。所述第二惯性传感器633、所述第三惯性传感器634、所述第四惯性传感器643和所述第五惯性传感器644获取穿戴者运动时腿部的方向角度数据和加速度数据。所述第一压力传感器组635和所述第二压力传感器组645获取穿戴者的脚底压力数据。所述方向角度数据、所述加速度数据和所述脚底压力数据经数据处理后发送至所述第二微处理器631和所述第三微处理器641。所述第一微处理器622、所述第二微处理器631和所述第三微处理器641对接收到的数据进行格式转化处理后通过所述现场总线61和所述SPI转换接口54发送给所述ARM微处理器51。

本发明实施例还提供了应用所述控制系统对下肢助力外骨骼机器人进行控制的控制方法，参照图7，包括以下步骤：

S1：提供所述下肢助力外骨骼机器人，穿戴所述下肢助力外骨骼机器人，所述下肢助力外骨骼机器人包括所述控制系统，所述控制系统包括软件管理单元、第一安全模块和第二安全模块；

S2：启动所述下肢助力外骨骼机器人；

S3：运行所述下肢助力外骨骼机器人；

S4：判断是否需要停止所述下肢助力外骨骼机器人的运行；

S5：判断所述软件管理单元是否失效；

S6：通过所述第一安全模块对所述下肢助力外骨骼机器人进行软件急停操作；

S7：通过所述第二安全模块对所述下肢助力外骨骼机器人进行硬件急停操作。

图8为本发明一些实施例中的下肢助力外骨骼机器人在穿戴者身上的装配示意图。图9为图8所示的盒体的正视图。图10为图8所示的操作模块的正视图。

参照图8，下肢助力外骨骼机器人8包括盒体81、操作手柄82和供电模块83，处理模块(图中未标示)安装在所述盒体81的内部，所述操作手柄82为操作模块，所述供电模块83位于穿戴者的腰部。

参照图8至图9，所述盒体81安装有第一急停按键81、第一开关按键812，电源指示灯813和状态指示灯814，所述操作手柄82安装有第二开关按键821、第二急停按键822和触控屏823。

所述下肢助力外骨骼机器人8处于关闭状态时，穿戴者按下所述第二开关按键821，非穿戴者按下所述第一开关按键812，即所述第一开关按键812和所述第二开关按键821同时处于闭合状态时，所述电源指示灯813亮，所述触控屏823显示“启动中”，所述下肢助力外骨骼机器人8才会正常启动。所述状态指示灯814亮，以指示所述下肢助力外骨骼机器人8的正常启动完成。穿戴者通过所述触控屏823选择工作模式，以使所述下肢助力外骨骼机器人8开始工作。

穿戴者行走过程中，所述传感模块84采集步态信息数据并上传给安装在所述盒体81中的所述处理模块(图中未标示)，所述处理模块(图中未标示)进行步态计算并控制电机(图中未标示)的动作，达到助力的效果。

需要正常运行中所述下肢助力外骨骼机器人8停止运动时，穿戴者按下所述第二开关按键821或非穿戴者按下所述第一开关按键812中的任意一种操作均能够进行所述软件急停操作。若所述操作手柄82失控，例如所述操作手柄82的手柄线821松动造成接触不良，穿戴者无法按下所述第二开关按键821来关闭所述下肢助力外骨骼机器人8，非穿戴者也能通过按下所述第一开关按键812来完成所述软件急停操作。所述软件急停操作完成后，所述触控屏显示“正在关机”，关机完成后所述电源指示灯813和所述状态指示灯814灭，所述触控屏灭。

若运行中的所述下肢助力外骨骼机器人8的软件管理单元(图中未标示)失效，通过所述第一开关按键812和所述第二开关按键821均无法控制所述下肢助力外骨骼机器人8，穿戴者按下所述第二急停按键822或非穿戴者按下所述第一急停按键811，即所述第一急停案件811或所述第二急停按键822中的任意一种接通的情况下，均能进行所述硬件急停操作，以直接切断电机电源来使所述下肢助力外骨骼机器人8停止运动，进一步提升了所述下肢助力外骨骼机器人8的穿戴安全性。所述第一急停按键811和所述第二急停按键822均没有接通的情况下，所述下肢助力外骨骼机器人8恢复运行。

所述触控屏823能够显示停止按钮，所述下肢助力外骨骼机器人8运行的过程中，穿戴者触摸所述停止按钮能够进行所述软件急停操作。

本发明一些具体的实施例中，所述盒体的体积不大于0.0042m³，所述盒体的重量不大于2Kg。所述盒体的体积小，质量轻，方便穿戴，在遇到紧急情况时对穿戴者造成的影响小。

本发明一些具体的实施例中，所述触控屏823为4.3寸的工业串口屏。

本发明一些具体的实施例中，所述系统管理模块为微处理器，所述微处理器包括PICF24单片机或STM32微处理器中的任意一种，所述电机为 brushless,200Watt小型BLDC电机。

虽然在上文中详细说明了本发明的实施方式，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，能够对这些实施方式进行各种修改和变化。但是，应理解，这种修改和变化都属于权利要求书中所述的本发明的范围和精神之内。而且，在此说明的本发明可有其它的实施方式，并且可通过多种方式实施或实现。

Claims (20)

1.一种下肢助力外骨骼机器人的控制系统，包括处理模块、操作模块、传感模块和供电模块，所述供电模块用于向所述操作模块、所述处理模块和所述传感模块输送电能，所述操作模块用于向所述处理模块发送操作指令信息，所述传感模块用于获取穿戴者的步态信息并上传至所述处理模块，所述处理模块用于根据所述操作指令或所述步态信息控制所述下肢助力外骨骼机器人的运行状态，其特征在于，所述处理模块包括检测电路、软件管理单元、第一电路、第二电路和驱动单元，所述控制系统包括第一安全模块和第二安全模块；

所述第一安全模块用于通过所述检测电路输出第一急停信号，所述第二安全模块用于通过所述检测电路输出第二急停信号；

所述检测电路用于将所述第一急停信号输出给所述软件管理单元，所述软件管理单元用于根据所述第一急停信号控制所述第一电路对所述驱动单元进行软件急停操作；

所述检测电路用于将所述第二急停信号输出给所述第一电路和所述第二电路以对所述驱动单元进行硬件急停操作。

2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述软件管理单元包括系统管理单元，所述驱动单元包括电机，所述第一电路包括第一或门电路、驱动电路和电子开关，所述第一急停信号经所述检测电路和所述系统管理单元输出给所述第一或门电路，所述第一或门电路向所述驱动电路输出所述第一急停信号，所述驱动电路根据所述第一急停信号关闭所述电子开关以切断所述电机的电源，实现所述软件急停操作。

3.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述软件管理单元包括主处理单元，所述系统管理单元将所述操作指令发送给所述主处理单元，所述传感模块将所述步态信息发送给所述主处理单元，所述主处理单元根据所述操作指令和所述步态信息通过所述驱动单元控制所述下肢助力外骨骼机器人的所述运行状态。

4.如权利要求1或3所述的控制系统，其特征在于，所述主处理单元包括ARM处理器、第一串口、第二串口和SPI转换接口，所述第一串口用于连接所述系统管理模块，所述第二串口用于连接所述驱动单元，所述SPI转换接口用于连接所述传感模块，所述ARM处理器根据所述操作指令和所述步态信息控制所述下肢助力外骨骼机器人的所述运行状态。

5.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述驱动单元包括电机，所述第二电路包括第二或门电路，所述检测电路将所述第二急停信号输出给所述第二或门电路，所述第二或门电路输出所述第二急停信号以关闭所述电机的使能脚。

6.如权利要求2或5所述的控制系统，其特征在于，所述检测电路向所述第一或门电路输出所述第二急停信号，所述驱动电路根据所述第一或门电路输送的所述第二急停信号关闭所述电子开关以切断所述电机的电源。

7.如权利要求2所述的控制系统，其特征在于，所述电子开关为金属-氧化物半导体场效应晶体管。

8.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述第一安全模块包括至少两个开关按键，至少两个所述开关按键通过集电极开路门电路并联连接。

9.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述第二安全模块包括至少两个急停按键，至少两个所述急停按键通过集电极开路门电路并联连接。

10.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述第一安全模块包括一个开关按键，所述第二安全模块包括一个急停按键，所述开关按键和所述急停按键通过集电极开路门电路并联连接。

11.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述操作模块包括触控屏，所述触控屏能够显示停止按钮，所述停止按钮用于对所述控制系统进行所述软件急停操作。

12.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述处理模块安装在盒体中，所述盒体的体积不大于0.0042m³，所述盒体的重量不大于2Kg。

13.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述处理模块包括电源管理单元，所述供电模块向所述电源管理单元输送所述电能，所述电源管理单元将所述电能通过所述软件管理单元输送给所述控制系统并监控所述控制系统的用电情况。

14.如权利要求1或13所述的控制系统，其特征在于，所述供电模块包括电池保护单元，所述控制系统包括状态显示模块，所述电源管理单元中存储有所述处理模块、所述操作模块、所述传感模块和所述供电模块的预设功率范围值，所述电源管理单元采集所述控制系统的供电电压值和用电电流值并与所述预设功率范围进行比对，当所述供电电压值和所述用电电流值的乘积低于所述预设功率范围，所述电源管理单元通过所述状态显示模块显示所述控制系统出现异常情况。

15.一种应用如权利要求1-14中任一项所述的控制系统对下肢助力外骨骼机器人进行控制的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：提供所述下肢助力外骨骼机器人，穿戴所述下肢助力外骨骼机器人，所述下肢助力外骨骼机器人包括所述控制系统，所述控制系统包括软件管理单元、第一安全模块和第二安全模块；

S2：启动所述下肢助力外骨骼机器人；

S3：运行所述下肢助力外骨骼机器人；

S4：判断是否需要停止所述下肢助力外骨骼机器人的运行；

S5：判断所述软件管理单元是否失效；

S6：通过所述第一安全模块对所述下肢助力外骨骼机器人进行软件急停操作；

S7：通过所述第二安全模块对所述下肢助力外骨骼机器人进行硬件急停操作。

16.如权利要求15所述的控制方法，其特征在于，所述第一安全模块包括至少两个开关按键，至少两个所述开关按键同时处于接通状态时，才会启动所述下肢助力外骨骼机器人。

17.如权利要求16所述的控制方法，其特征在于，至少两个所述开关按键中的任意一个处于断开状态，就能够停止所述下肢助力外骨骼机器人的运行。

18.如权利要求15所述的控制方法，其特征在于，所述第二安全模块包括至少两个急停按键，至少两个所述急停按键中的任意一个处于接通状态，就能够停止所述下肢助力外骨骼机器人的运行。

19.如权利要求17所述的控制方法，其特征在于，至少两个所述急停按键均处于断开状态，才能使所述下肢助力外骨骼机器人恢复运行。

20.如权利要求15所述的控制方法，其特征在于，所述第一安全模块包括一个开关按键，所述第二安全模块包括一个急停按键，所述开关按键处于接通状态或所述急停按键处于断开状态中的任意一种情况下能够启动所述下肢助力外骨骼机器人，所述急停按键处于接通状态或所述开关按键处于断开状态中的任意一种情况下能够停止所述下肢助力外骨骼机器人的运行。