CN110559164A - 下肢康复机器人的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种下肢康复机器人的控制系统，包括上位机、控制模组、DAQ模组、伺服驱动模组、力传感器；上位机与控制模组通过工业通信协议通信；控制模组用于接收运动角度；伺服驱动模组用于获取下肢康复机器人的跑台机构的电机和立柱机构的电机在运动过程中位置、速度、加速度信息；力传感器用于获取康复部位的力数据；控制模组还用于根据运动角度、位置、速度、加速度信息、力数据输出用于控制下肢康复机器人的指令。本发明的下肢康复机器人的控制系统充分利用控制器的硬件资源以及采用标准化的工业通信协议，能够有效地降低设计研发成本和保证系统良好的通信质量，能够满足机电类康复医疗器械对控制系统的需求。

Description

下肢康复机器人的控制系统

技术领域

本发明属于下肢康复机器人技术领域，尤其涉及一种下肢康复机器人的控制系统。

背景技术

下肢康复机器人在康复训练过程中能够获取患者的运动数据以及状态信息，同时通过情景交互的方式，让患者能够主动参与到康复训练中，增加患者的康复信心，同时能够提供相应的评估数据报告，以量化的方式观察康复训练的效果，最后下肢康复机器人还能够适应患者不同的康复阶段，运用对应的运动控制算法来进行减重训练。

目前康复机器人的控制系统结构方式主要分为集中控制方式、主从控制方式、分散控制方式三种方式，首先，基于PC(个人电脑)的集中控制系统里，充分利用了PC资源开放性的特点，可以实现很好的开放性：多种控制卡，传感器设备等都可以通过标准PCI(Peripheral Component Interconnect，外设部件互连标准)插槽或通过标准串口、并口集成到控制系统中。其次，采用主、从两级处理器实现系统的全部控制功能。主CPU(中央处理器)实现管理、坐标变换、轨迹生成和系统自诊断等：从CPU实现所有关节的动作控制。最后，按系统的性质和方式将系统控制分成几个模块，每一个模块各有不同的控制任务和控制策略，各模式之间可以是主从关系，也可以是平等关系。这种方式实时性好，易于实现高速、高精度控制，易于扩展，可实现智能控制，是目前流行的方式。

康复机器人的控制系统往往采用分散控制方式：其主要思想是“分散控制，集中管理”，即系统对其总体目标和任务可以进行综合协调和分配，并通过子系统的协调工作来完成控制任务，整个系统在功能、逻辑和物理等方面都是分散的。子系统是由控制器和不同被控对象或设备构成的，各个子系统之间通过网络等相互通讯。分散式控制结构提供了一个开放、实时、精确的机器人控制系统。分散式控制系统的优点在于：系统灵活性好，控制系统的危险性降低，采用多处理器的分散控制，有利于系统功能的并行执行，提高系统的处理效率，缩短响应时间。而缺点在于系统的运行完全依赖于各个子系统之间的通信质量。主要是因为分散控制方式使得每个子系统都能够单独运行，而系统之间的交互主要是通过通信协议来完成，而通信协议的质量，则决定系统运行的好与坏。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中康复机器人的控制系统受各个子系统之间的通信质量的制约的缺陷，提供一种下肢康复机器人的控制系统。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

本发明提供一种下肢康复机器人的控制系统，包括上位机、控制模组、DAQ(DataAcquisition，数据采集)模组、伺服驱动模组、力传感器；

上位机与控制模组通过工业通信协议通信；

DAQ模组用于获取康复部位在三个自由度方向的运动角度；

控制模组与DAQ模组通过串行总线连接，控制模组用于接收运动角度；

伺服驱动模组用于获取下肢康复机器人的跑台机构的电机和立柱机构的电机在运动过程中位置、速度、加速度信息；

控制模组与伺服驱动模组通过EtherCAT(以太网控制自动化技术)总线连接，控制模组还用于获取位置、速度、加速度信息；

力传感器用于获取康复部位的力数据；

控制模组与力传感器通过EtherCAT总线连接，控制模组还用于接收力数据；

控制模组还用于根据运动角度、位置、速度、加速度信息、力数据输出用于控制下肢康复机器人的指令。

较佳地，控制模组包括主控制器、串口单元；

串口单元用于与DAQ模组通过串行总线连接。

较佳地，串行总线包括RS-485(一种串行通信标准)总线。

较佳地，主控制器包括NI cRIO-9030处理器(美国国家仪器公司出品的处理器)。

较佳地，控制模组还包括数字量输入单元和数字量输出单元；

数字量输入单元与主控制器电连接，数字量输入单元支持24伏32通道Sinking输入；

数字量输出单元与主控制器电连接，数字量输出单元支持36伏32通道Sourcing输出。Sinking和Sourcing指的是数字电路中使用的输入和输出的类型。Sinking数字IO(输入输出接口)提供GND(接地端)。Sourcing数字IO提供VCC(电源端)电压源。

较佳地，控制模组还包括RS-232(一种串行通信标准)接口插槽，RS-232接口插槽与主控制器电连接。

较佳地，主控制器用于接收一交互指令以生成操作指令，并根据操作指令生成调度指令，并根据调度指令执行对应的调度任务；主控制器还用于输出操作指令的执行结果。

较佳地，调度任务包括根据力数据调节下肢康复机器人的立柱电机的输出，根据力数据调节下肢康复机器人的调节跑台电机的输出。

较佳地，交互指令由上位机接收外部操作而生成。

较佳地，主控制器还用于扫描读取主控制器的输入输出接口的状态，根据输入输出接口的状态对输入输出接口执行相应的操作

本发明的积极进步效果在于：本发明的下肢康复机器人的控制系统充分利用控制器的硬件资源以及采用标准化的工业通信协议，能够有效地降低设计研发成本和保证系统良好的通信质量，能够满足机电类康复医疗器械对控制系统的需求。

附图说明

图1为本发明的一较佳实施例的下肢康复机器人的控制系统的结构示意图。

图2为本发明的一较佳实施例的下肢康复机器人的控制系统的控制的下肢康复机器人的示意图。

图3为本发明的一较佳实施例的下肢康复机器人的控制系统的控制模组的结构示意图。

图4为本发明的一较佳实施例的下肢康复机器人的控制系统的主控制器运行的系统控制软件程序的软件架构示意图。

具体实施方式

下面通过一较佳实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

本实施例提供一种下肢康复机器人的控制系统。参照图1、图2，该下肢康复机器人的控制系统包括上位机101、控制模组102、DAQ模组103、伺服驱动模组104、力传感器105。上位机101与控制模组102通过工业通信协议通信。DAQ模组103用于获取康复部位在三个自由度方向的运动角度。控制模组102设置于下肢康复机器人1的壳体的内部，为了便于说明，控制模组102采用实线表征。DAQ模组103的设置方式是本领域技术人员能够实现的，此处不再赘述。控制模组102与DAQ模组103通过串行总线连接，控制模组102用于接收运动角度。伺服驱动模组104用于获取下肢康复机器人的跑台机构110的电机和立柱机构109的电机在运动过程中位置、速度、加速度信息。控制模组102与伺服驱动模组104通过EtherCAT总线连接，控制模组102还用于获取位置、速度、加速度信息。力传感器设置于下肢康复机器人1的骨盆机构108的端部，用于获取康复部位的力数据。控制模组102与力传感器通过EtherCAT总线连接，控制模组102还用于接收力数据。控制模组102还用于根据运动角度、位置、速度、加速度信息、力数据输出用于控制下肢康复机器人的指令。

具体实施时，上位机101下发各种操作命令给控制模组102，控制模组102通过分析命令指令，并运用相关控制算法来控制骨盆机构108和跑台机构110的运动，从而实现患者的步态行走减重训练。上位机101通过工业通信协议Ethernet_IP与机器人控制模组102进行通信，上位机101下发相应的配置参数、运动状态以及操作命令，同时控控制模组102将训练过程中获取的运动数据反馈给上位机101，进行数据的交互和显示。控制模组102通过RS-485总线与DAQ单元进行交互，获取运动过程髋部三个自由度方向的运动角度，通过EtherCAT总线与伺服设备进行通信，获取跑台机构和立柱机构电机在运动过程中位置、速度、加速度信息，同时综合这些信息，控制模组102进行运动控制算法的设计，来实现不同康复的康复阶段采用不同的运动控制算法。最后控制模组102通过EtherCAT总线获取髋部左右两侧的力数据，根据运动过程中理数据的变化，运用相应的控制算法来实现下肢康复机器人的动态减重训练。控制模组102综合这些信息，实现不同康复的康复阶段采用不同的运动控制算法，运用相应的控制算法来实现下肢康复机器人的动态减重训练。

参照图3，控制模组102包括主控制器201、串口单元202。串口单元用于与DAQ模组103通过串行总线连接。

控制模组102还包括数字量输入单元203和数字量输出单元204。数字量输入单元与主控制器电连接，数字量输入单元支持24伏32通道Sinking输入。数字量输出单元与主控制器电连接，数字量输出单元支持36伏32通道Sourcing输出。串行总线包括RS-485(一种串行通信标准)总线。

主控制器包括NI cRIO-9030处理器，是一款适用于高级控制和监控应用的嵌入式控制器，拥有1.33GHz(吉赫兹)双核CPU，1GB(Gigabyte，吉字节)DRAM(Dynamic RandomAccess Memory，动态随机存取存储器)，4GB存储容量，Kintex-7 70T FPGA(一种现场可编程门阵列)，4槽CompactRIO(美国国家仪器公司生产的一款可重新配置的嵌入式测控系统)控制器，包含两个千兆以太网、两个USB(通用串行总线，Universal Serial Bus)主机、一个USB设备和两个串行端口，支持RS-232/485、EtherCAT、Ethernet_IP、USB 2.0等总线或协议。串口单元的型号为NI 9871(美国国家仪器公司出品的串口模块)，通过底部串口插槽与主控制器连接。NI 9871为4端口RS-485/232串行仪器模块，通过该模块增加了串行通信接口，可以实现功能接口的扩展，同时串行端口可直接通过FPGA访问，从而能够灵巧的与串行设备进行通信，可节省FPGA空间，并简化编程。数字量输入单元203的型号为NI 9425(美国国家仪器公司出品的漏型数字输入模块)，该单元是通过底部串口插槽与主控制器连接。NI9425是支持24伏，32通道Sinking输入，7μs C系列数字模块，支持工业逻辑电平和信号，可直接连接到各种工业开关、传感器和器件。每个数字输入线都可兼容24V(伏)逻辑电平。NI9425提供了输入和输出之间的通道-大地/地面组隔离。数字量输出单元204的型号是NI9476(美国国家仪器公司出品的C系列数字输出和继电器模块)，该单元通过底部插槽和主控制器连接。NI 9476支持36V，32通道(Sourcing输入)，500μs C系列数字模块，支持工业逻辑电平和信号，可直接连接到各种工业开关、传感器和设备。每个通道基于外部电源可兼容6V～36V的信号，同时输出通道和背板之间具有瞬态过压保护。可通过编程检测每条通道的内置式过电流和短路保护的状态。控制模组102还包括RS-232(一种串行通信标准)接口插槽205，RS-232接口插槽与主控制器电连接。RS-232接口插槽205是主控制器预留的底板插槽接口，支持RS-232串口单元模块的扩展应用。

具体实施时，主控制器中运行用于实现系统控制的软件程序，以输出控制下肢康复机器人的指令，以给每个自由度施加一定规律的控制作用，下肢康复机器人就可以实现要求的运动轨迹。主控制器运行的系统控制软件程序采用主从模式状态机形式实现，单独抽象出控制子系统程序，并将各个功能模块进行分析，也单独抽象出各个功能模块的状态机。各个模块有各自单独的状态机，状态在主模式下运行，同时有一个系统级状态机和通信状态机并行运行在主模式中，根据上位机101传输来的指令切换各个模块状态机实现系统级状态。

主控制器运行的系统控制软件程序的软件架构如图4所示。主控制器运行的系统控制软件程序包括三大部分，分别是控制子系统程序301、交互子系统程序302和调度子系统程序303。控制子系统程序301包括DAQ模组状态机311、力传感器状态机312、立柱状态机313和跑台状态机314。该子系统负责执行相应的操作命令，获取所有的传感器运动数据，具备完成运动控制的功能。交互子系统程序302包括上位机操作状态机321、IO端口命令状态机322和设备状态监听状态机323。交互子系统程序302负责接收并解析外部命令，并从控制子系统程序301应答队列中读取命令执行结果，然后返回给上位机。调度子系统程序303包括系统控制调度状态机331，同时包含系统数据状态存储区域和命令消息队列。调度子系统程序303负责各模块的管理、控制子系统程序301的调度、交互子系统程序302的命令执行，处于核心地位。

主控制器运行的系统控制软件程序整体的运行逻辑为：控制子系统程序301自成一体完成运动控制功能，但接受调度子系统程序303的调度。调度子系统程序303接收交互子系统程序302传来的操作命令，执行控制子系统程序301的调度，并向交互子系统程序302反馈命令执行结果。交互子系统程序302接收外部的交互命令，解析后发送给调度子系统程序303的命令队列，并向外部反馈命令执行情况。同时，交互子系统程序302读取系统状态、参数和数据回传给用户。

主控制器运行的系统控制软件程序的特点是，由于抽象出了单独的调度子系统程序303，因此隔离了机器人的业务逻辑层(如康复策略)以及运动驱动逻辑，将变化封装在调度子系统程序303，保证了运动驱动层的稳定。通过定义好交互子系统程序302和调度子系统程序303之间的通信接口，可以简化两者之间交互的逻辑。通过抽象出机器人康复策略的共性，也能够使得调度子系统程序303的康复策略逻辑具有较好地可扩展性。

控制子系统程序301中各个状态机的功能分别是，DAQ模组状态机311是通过RS485总线读取编码器数据，并将编码器数据转换成相应的角度信息，将获取的角度信息通过RS485总线传递给主控制器。力传感器状态机312是读取六维力传感器数据，并进行力传感器数据处理的，然后通过EtherCAT总线将处理后的力数据传递给主控制器。立柱状态机313是综合各种命令和传感数据，根据左右两侧竖直方向上合力大小，运用PD(比例微分)控制器，来调节立柱电机的输出。跑台状态机314是根据左右两侧水平方向上合力大小，运用PD控制器，来调节跑台电机的输出，实现不同运动控制模式。

交互子系统程序302中各个状态机的功能分别是，上位机操作状态机321是实现上位机的操作屏和NI cRIO-9030处理器之间的通信，便于数据和命令的交互。IO端口命令状态机322是扫描读取NI cRIO-9030处理器的IO状态，并根据程序运行逻辑对IO端口进行操作。设备状态监听状态机323是读取系统运行的状态，并针对状态异常给出提示或处理信息。调度子系统程序303中系统调度控制状态机的功能是结合而各个子状态机的状态，调度设计系统整体的运行状态，并根据系统整体运行状态来实现运动模式的切换，从而完成整个下肢康复机器人系统的命令切换和功能调度。

本实施例的下肢康复机器人的控制系统结构上采用主从式和分散式相结合的模块化拼装架构。以主控制器为核心主部件，其他各个子模块为从部件，主部件通过总线或协议来读取各个从部件的数据和运行状态，同时各个子部件都是独立并行工作，极大提高工作效率。各个子模块之间既是主从关系，也是平等关系，有利于提高系统的灵活性，降低控制系统的危险性，缩短响应时间。并且，在主控制器运行的系统控制软件程序的软件架构上采用分散式主从状态机模式架构。通过将系统控制软件程序分成三个独立的子系统程序，并将各个子系统程序划分为独立的状态机来实现各个子状态机的独立运行，避免相互之干扰。同时通过调度子系统来实现整个系统状态的切换和命令的调度，从而便于更加方便的实现康复机器人的运动控制和问题精准定位。从而使整体软件架构清晰，鲁棒性更好，软件更新维护更方便。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种下肢康复机器人的控制系统，其特征在于，包括上位机、控制模组、DAQ模组、伺服驱动模组、力传感器；

所述上位机与所述控制模组通过工业通信协议通信；

所述DAQ模组用于获取康复部位在三个自由度方向的运动角度；

所述控制模组与所述DAQ模组通过串行总线连接，所述控制模组用于接收所述运动角度；

所述伺服驱动模组用于获取所述下肢康复机器人的跑台机构的电机和立柱机构的电机在运动过程中位置、速度、加速度信息；

所述控制模组与所述伺服驱动模组通过EtherCAT总线连接，所述控制模组还用于获取所述位置、速度、加速度信息；

所述力传感器用于获取所述康复部位的力数据；

所述控制模组与所述力传感器通过EtherCAT总线连接，所述控制模组还用于接收所述力数据；

所述控制模组还用于根据所述运动角度、所述位置、速度、加速度信息、所述力数据输出用于控制所述下肢康复机器人的指令。

2.如权利要求1所述的下肢康复机器人的控制系统，其特征在于，所述控制模组包括主控制器、串口单元；

所述串口单元用于与所述DAQ模组通过串行总线连接。

3.如权利要求1或2所述的下肢康复机器人的控制系统，其特征在于，所述串行总线包括RS-485总线。

4.如权利要求2所述的下肢康复机器人的控制系统，其特征在于，所述主控制器包括NIcRIO-9030处理器。

5.如权利要求2所述的下肢康复机器人的控制系统，其特征在于，所述控制模组还包括数字量输入单元和数字量输出单元；

所述数字量输入单元与所述主控制器电连接，所述数字量输入单元支持24伏32通道Sinking输入；

所述数字量输出单元与所述主控制器电连接，所述数字量输出单元支持36伏32通道Sourcing输出。

6.如权利要求5所述的下肢康复机器人的控制系统，其特征在于，所述控制模组还包括RS-232接口插槽，所述RS-232接口插槽与所述主控制器电连接。

7.如权利要求2所述的下肢康复机器人的控制系统，其特征在于，所述主控制器用于接收一交互指令以生成操作指令，并根据所述操作指令生成调度指令，并根据所述调度指令执行对应的调度任务；所述主控制器还用于输出所述操作指令的执行结果。

8.如权利要求7所述的下肢康复机器人的控制系统，其特征在于，所述调度任务包括根据所述力数据调节所述下肢康复机器人的立柱电机的输出，根据所述力数据调节所述下肢康复机器人的调节跑台电机的输出。

9.如权利要求7所述的下肢康复机器人的控制系统，其特征在于，所述交互指令由所述上位机接收外部操作而生成。

10.如权利要求8所述的下肢康复机器人的控制系统，其特征在于，所述主控制器还用于扫描读取所述主控制器的输入输出接口的状态，根据所述输入输出接口的状态对所述输入输出接口执行相应的操作。