CN111319027A - 一种有源腰部助力外骨骼机器人电气系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有源腰部助力外骨骼机器人电气系统，其包括主控单元、手持终端、驱动单元、航姿参考系统、电流检测单元及电源单元，手持终端、驱动单元、航姿参考系统、电流检测单元均与主控单元电连接，主控单元、航姿参考系统、电流检测单元、电源单元设于外骨骼机器人背部，驱动单元设于外骨骼机器人的两腿髋关节，手持终端独立于外骨骼机器人本体，驱动单元包括电机、减速器和电机驱动器，电流检测单元用于测量驱动单元的电流，航姿参考系统相对于外骨骼机器人的背部前倾。本发明的有源腰部助力外骨骼机器人电气系统通过将航姿参考系统相对于外骨骼机器人背部前倾安装的方式，有效的解决了MPU6050加速度传感器在测量90°角的奇点问题。

Description

一种有源腰部助力外骨骼机器人电气系统

技术领域

本发明涉及助力外骨骼机器人技术领域，具体涉及一种有源腰部助力外骨骼机器人电气系统。

背景技术

腰部助力外骨骼主要应用于在工业生产或加工的过程中，工作人员需要进行反复抬举、躯干长时间弯曲或扭曲的场合。在这一工程中腰部肌肉容易疲劳，甚至出现劳损，增加了工作人员患肌肉骨骼疾病的风险。外骨骼机器人按其工作方式是否使用能源，可以分为有源外骨骼和无源外骨骼。有源外骨骼需要提供动力的能源，一般包括电池、驱动组件、传感器等部件。

有源腰部外骨骼的主体结构由背部和两侧大腿组成，通过安装在双腿髋关节的驱动组件进行助力。为了实现良好的助力效果，需要对人体姿态及运动状态进行测量，这就需要在外骨骼上安装能够测量人体俯仰角，双腿髋关节角度以及人机交互力等数据的传感器。为保证数据传输实时性及稳定性，在有源外骨骼机器人各部分之间往往通过线束进行数据传输。

现有的有源腰部助力外骨骼机器人在进行人体姿态及运动状态判断时，需要使用很多的传感器，包括测量姿态角及加速度的航姿参考系统、测量关节角度的编码器或电位器、测量人机交互力的压力传感器等，安装这些传感器的机构较为复杂并且连接各传感器及主控单元的线束数量很大。这一方面增加了外骨骼机器人的体积及重量，影响穿戴舒适性，另一方面明显增加了外骨骼机器人安装、调试以及后期维护的繁杂程度，提高了外骨骼机器人生产过程中的时间成本和人员成本，十分不易于外骨骼机器人的产业化发展。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明目的在于提供一种设计合理，结构精简，便于安装调试的有源腰部助力外骨骼机器人电气系统。其采用如下技术方案：

一种有源腰部助力外骨骼机器人电气系统，其包括主控单元、手持终端、驱动单元、航姿参考系统、电流检测单元及电源单元，所述手持终端、驱动单元、航姿参考系统、电流检测单元均与主控单元电连接，所述主控单元、航姿参考系统、电流检测单元、电源单元设于外骨骼机器人背部，所述驱动单元设于外骨骼机器人的两腿髋关节，所述手持终端独立于外骨骼机器人本体，所述驱动单元包括电机、减速器和电机驱动器，所述电流检测单元用于测量所述驱动单元的电流，所述航姿参考系统相对于外骨骼机器人的背部前倾。

作为本发明的进一步改进，通过在GND端加采样电阻产生压降，该压降经过放大电路后由所述主控单元进行AD转换，进而计算出驱动单元的电流。

作为本发明的进一步改进，当所述驱动单元达到某一侧机械限位时，电流会因为电机堵转而明显提升，由此确定电机的初始位置。

作为本发明的进一步改进，所述电机通过三相线和霍尔线连接至电机驱动器，所述电机驱动器和主控单元之间通过CAN通信的方式进行数据传输，所述主控单元通过读取电机内部的霍尔传感器数据并结合减速器的减速比，计算出髋关节的相对旋转角度。

作为本发明的进一步改进，在穿戴过程中，当人体与外骨骼人机器人产生明显交互力时，电流也变化，并将此作为外骨骼助力控制算法的输入参数之一。

作为本发明的进一步改进，所述手持终端单元用于穿戴者控制外骨骼机器人开关机、切换外骨骼机器人工作模式以及调整外骨骼机器人助力等级。

作为本发明的进一步改进，所述手持终端和主控单元之间通过磁吸USB线进行电力及数据传输。

作为本发明的进一步改进，所述磁吸USB线为四芯线，其中两根为电源线，第三根用于控制外骨骼机器人开关机，第四根通过STM32的单线半双工串口通信进行数据传输。

作为本发明的进一步改进，所述航姿参考系统相对于外骨骼机器人的背部前倾30°。

作为本发明的进一步改进，在外骨骼机器人的双腿与背部、电池仓与背部之间的线束连接方式均为通过弹簧针的方式实现电气连接。

本发明的有益效果：

本发明的有源腰部助力外骨骼机器人电气系统设计合理，通过将航姿参考系统相对于外骨骼机器人背部前倾安装的方式，有效的解决了MPU6050加速度传感器在测量90°角的奇点问题。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明优选实施例中有源腰部助力外骨骼机器人电气系统的结构示意图；

图2是本发明优选实施例中有源腰部助力外骨骼机器人电气系统的电路结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1-2所示，为本发明实施例中有源腰部助力外骨骼机器人电气系统，其包括包括主控单元、手持终端、驱动单元、航姿参考系统、电流检测单元及电源单元，手持终端、驱动单元、航姿参考系统、电流检测单元均与主控单元电连接，主控单元、航姿参考系统、电流检测单元、电源单元设于外骨骼机器人背部，驱动单元设于外骨骼机器人的两腿髋关节，手持终端独立于外骨骼机器人本体，航姿参考系统相对于外骨骼机器人的背部前倾。其中，驱动单元的数量为二，分别驱动两腿。

如图2所示，驱动单元包括电机、减速器和电机驱动器，电机通过三相线和霍尔线连接至电机驱动器，电机驱动器和主控单元之间通过CAN通信的方式进行数据传输，主控单元通过读取电机内部的霍尔传感器数据并结合减速器的减速比，计算出髋关节的相对旋转角度。

主控单元负责接收手持终端指令、接收航姿参考系统、电流采样数据、运行控制算法及下达电机控制指令。

手持终端单元用于穿戴者控制外骨骼机器人开关机、切换外骨骼机器人工作模式以及调整外骨骼机器人助力等级。手持终端和主控单元之间通过磁吸USB线进行电力及数据传输，磁吸USB线为四芯线，其中两根为电源线，第三根用于控制外骨骼机器人开关机，第四根通过STM32的单线半双工串口通信进行数据传输。4芯USB为市场上常见成熟产品，方便备货。通过磁吸的方式，在不需要操作时方便将手持终端取下，方便工人工作，并且在手持终端与外骨骼机器人主体部分断开或重新连接时，不影响外骨骼机器人的开关机状态和工作状态。

航姿参考系统的功能是测量人体的俯仰角，主要由MPU6050实现这一功能。直接读取MPU6050加速度数据计算俯仰角在90°位置即人体直立时存在奇点，至多直接只能测到85°左右。在本实施例中，航姿参考系统相对于外骨骼机器人的背部前倾30°进行安装，可以避免人体直立或略微后仰时经过奇点。

电流检测单元用于测量驱动单元的电流，通过在GND端加采样电阻产生压降，该压降经过放大电路后由主控单元进行AD转换，进而计算出驱动单元的电流。

当驱动单元达到某一侧机械限位时，电流会因为电机堵转而明显提升，由此确定电机的初始位置，并结合霍尔传感器数据和减速器减速比得出髋关节运动的绝对角度，作为对人体状态的判断依据之一。可以避免关节位置编码器或电位器等角度传感器的安装，减小了机械部件和线束的数量，降低了外骨骼机器人的体积、重量以及安装、调试、后期维护的繁杂程度。

在穿戴过程中，当人体与外骨骼人机器人产生明显交互力时，电流也会变化，并将此作为外骨骼助力控制算法的输入参数之一。由此避免了力传感器的安装，同样能够减小机械部件和线束的数量，降低外骨骼机器人的体积、重量以及安装、调试、后期维护的繁杂程度。

在外骨骼机器人的双腿与背部、电池仓与背部之间的线束连接方式均为通过弹簧针的方式实现电气连接。极大方便了外骨骼机器人的装配、拆卸及零部件更换。

电源单元为整个系统提供电力，由锂电池构成。锂电池通过弹簧针的方式与外骨骼机器人背部进行电气连接，方便取下更换电池。

以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种有源腰部助力外骨骼机器人电气系统，其特征在于，包括主控单元、手持终端、驱动单元、航姿参考系统、电流检测单元及电源单元，所述手持终端、驱动单元、航姿参考系统、电流检测单元均与主控单元电连接，所述主控单元、航姿参考系统、电流检测单元、电源单元设于外骨骼机器人背部，所述驱动单元设于外骨骼机器人的两腿髋关节，所述手持终端独立于外骨骼机器人本体，所述驱动单元包括电机、减速器和电机驱动器，所述电流检测单元用于测量所述驱动单元的电流，所述航姿参考系统相对于外骨骼机器人的背部前倾。

2.如权利要求1所述的有源腰部助力外骨骼机器人电气系统，其特征在于，通过在GND端加采样电阻产生压降，该压降经过放大电路后由所述主控单元进行AD转换，进而计算出驱动单元的电流。

3.如权利要求2所述的有源腰部助力外骨骼机器人电气系统，其特征在于，当所述驱动单元达到某一侧机械限位时，电流会因为电机堵转而明显提升，由此确定电机的初始位置。

4.如权利要求1所述的有源腰部助力外骨骼机器人电气系统，其特征在于，所述电机通过三相线和霍尔线连接至电机驱动器，所述电机驱动器和主控单元之间通过CAN通信的方式进行数据传输，所述主控单元通过读取电机内部的霍尔传感器数据并结合减速器的减速比，计算出髋关节的相对旋转角度。

5.如权利要求1所述的有源腰部助力外骨骼机器人电气系统，其特征在于，在穿戴过程中，当人体与外骨骼人机器人产生明显交互力时，电流也变化，并将此作为外骨骼助力控制算法的输入参数之一。

6.如权利要求1所述的有源腰部助力外骨骼机器人电气系统，其特征在于，所述手持终端单元用于穿戴者控制外骨骼机器人开关机、切换外骨骼机器人工作模式以及调整外骨骼机器人助力等级。

7.如权利要求1所述的有源腰部助力外骨骼机器人电气系统，其特征在于，所述手持终端和主控单元之间通过磁吸USB线进行电力及数据传输。

8.如权利要求7所述的有源腰部助力外骨骼机器人电气系统，其特征在于，所述磁吸USB线为四芯线，其中两根为电源线，第三根用于控制外骨骼机器人开关机，第四根通过STM32的单线半双工串口通信进行数据传输。

9.如权利要求1所述的有源腰部助力外骨骼机器人电气系统，其特征在于，所述航姿参考系统相对于外骨骼机器人的背部前倾30°。

10.如权利要求1所述的有源腰部助力外骨骼机器人电气系统，其特征在于，在外骨骼机器人的双腿与背部、电池仓与背部之间的线束连接方式均为通过弹簧针的方式实现电气连接。

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