CN111347396A - 一种助力行走外骨骼机器人控制系统 - Google Patents

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宋吉来
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Abstract

本发明公开了一种助力行走外骨骼机器人控制系统，其包括有机器人主体和供电及安全防护单元，所述供电及安全防护单元包括有两个锂电池及一电源分配板，所述电源分配板的输入端连接于两个锂电池，所述电源分配板的输出端连接于所述机器人主体，所述电源分配板用于将两个锂电池之一输出的电能转换为可供所述机器人主体控制部分上电的系统电以及可供所述机器人主体动力部分运转的动力电。本发明的供电部分采用了双锂电池系统，在使用过程中，即使其中一块锂电池电量用尽，仍能保证系统正常运行，大大提升了系统运行的可靠性，有效提高了使用过程的安全性，较好地满足了用户需要和市场需求。

Description

一种助力行走外骨骼机器人控制系统
技术领域
本发明涉及助力行走机器人，尤其涉及一种助力行走外骨骼机器人控制系统。
背景技术
目前，随着老龄化的加重，养老康复医疗产品需求也日益增长。老年人随着年龄增长，其肌肉力量尤其是下肢力量衰减更为明显，因此对于下肢薄弱的老年人用户来说，一款可对髋关节和膝关节提供辅助支撑力的外骨骼设备，可减少行走过程中所消耗的能量，提高生活质量。但目前已有的外骨骼控制系统并未从供电可靠性予以考虑，倘若使用过程中发生电量用尽的情况，将导致系统无法使用，严重者还会导致用户摔倒等情况，因此无法保证系统供电的可靠性。
此外，现有助力机器人系统对于从姿态检测方面所加传感器也并不全面，例如：现有的助力行走设备如申请号为201610115314.5、名称为“连杆关节一体化液压驱动外骨骼控制系统”的中国发明专利文献，该专利文献中仅增加了足底压力传感器和腰部陀螺仪；再例如申请号为201810039113.0、名称为“基于腿部姿态识别的下肢外骨骼控制系统及其实现方法”的中国发明专利文献，该专利文献中仅在机器人大腿腿干位置增加三轴加速度传感器和三轴角速度传感器以及在足底增加薄膜压力传感器。这些助力机器人系统检测部分过于单一，致使主控部分无法准确采集用户的运动意图，导致用户体验较差，无法满足应用需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种采用双锂电池供电、合理分配系统电与动力电，进而提高供电可靠性的助力行走外骨骼机器人控制系统。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。
一种助力行走外骨骼机器人控制系统，其包括有机器人主体和供电及安全防护单元，所述供电及安全防护单元包括有两个锂电池及一电源分配板，所述电源分配板的输入端连接于两个锂电池，所述电源分配板的输出端连接于所述机器人主体，所述电源分配板用于将两个锂电池之一输出的电能转换为可供所述机器人主体控制部分上电的系统电以及可供所述机器人主体动力部分运转的动力电。
优选地，所述机器人主体的动力部分包括有模块化关节驱动单元，所述机器人主体的控制部分包括有行为状态检测单元、运动意图检测单元和中央处理器，所述模块化关节驱动单元、行为状态检测单元和运动意图检测单元分别连接于所述中央处理器，其中：所述模块化关节驱动单元佩戴于人体下肢，所述模块化关节驱动单元用于执行行走动作；所述行为状态检测单元用于检测所述机器人的姿态；所述运动意图检测单元用于检测所述机器人相对当前地面的支撑状态以及检测人体脚底运动速度和方向；所述中央处理器用于对行为状态检测单元和运动意图检测单元检测的数据进行处理，根据处理结果生成控制指令并传输至所述模块化关节驱动单元，以控制所述模块化关节驱动单元的行走动作。
优选地，所述模块化关节驱动单元包括有佩戴于人体左髋、左膝、右髋和右膝位置的四个关节驱动器。
优选地，所述行为状态检测单元包括有九轴惯性传感器，所述中央处理器根据所述九轴惯性传感器反馈的数据判断得出所述机器人的姿态。
优选地，所述九轴惯性传感器检测的数据基于USB协议传输至所述中央处理器。
优选地，所述运动意图检测单元包括有足底薄膜压力传感器、大腿压力传感器和小腿压力传感器，所述足底薄膜压力传感器、大腿压力传感器和小腿压力传感器所采集的数据均通过CAN总线反馈至所述中央处理器。
优选地，所述运动意图检测单元包括有传感器采集卡，所述大腿压力传感器和小腿压力传感器的输出端分别连接于所述传感器采集卡，所述传感器采集卡的输出端连接于所述CAN总线。
优选地，所述中央处理器将所述控制指令基于EtherCAT协议传输至所述模块化关节驱动单元。
优选地，所述中央处理器为RC控制器，且所述中央处理器预设有外骨骼机器人控制算法，藉由所述外骨骼机器人控制算法对所述行为状态检测单元和运动意图检测单元反馈的数据进行处理，再根据处理结果生成控制指令。
优选地，所述供电及安全防护单元包括有上电按钮和急停按钮，所述上电按钮和急停按钮串接于所述电源分配板的输入回路或者输出回路。
本发明公开的助力行走外骨骼机器人控制系统中，其供电部分采用了双锂电池系统，在使用过程中，即使其中一块锂电池电量用尽，仍能保证系统正常运行，大大提升了系统运行的可靠性，有效提高了使用过程的安全性，较好地满足了用户需要和市场需求。
附图说明
图1为本发明助力行走外骨骼机器人控制系统的组成框图；
图2为机器人主体的组成框图；
图3为本发明优选实施例中的供电分配示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。
本发明公开了一种助力行走外骨骼机器人控制系统，结合图1和图2所示，其包括有机器人主体1和供电及安全防护单元2，所述供电及安全防护单元2包括有两个锂电池20及一电源分配板21，所述电源分配板21的输入端连接于两个锂电池20，所述电源分配板21的输出端连接于所述机器人主体1，所述电源分配板21用于将两个锂电池20之一输出的电能转换为可供所述机器人主体1控制部分上电的系统电以及可供所述机器人主体1动力部分运转的动力电。
上述系统中，其供电部分采用了双锂电池系统，在使用过程中，即使其中一块锂电池电量用尽，仍能保证系统正常运行，大大提升了系统运行的可靠性，有效提高了使用过程的安全性，较好地满足了用户需要和市场需求。
作为一种优选方式，所述机器人主体1的动力部分包括有模块化关节驱动单元10，所述机器人主体1的控制部分包括有行为状态检测单元11、运动意图检测单元12和中央处理器13，所述模块化关节驱动单元10、行为状态检测单元11和运动意图检测单元12分别连接于所述中央处理器13，其中：
所述模块化关节驱动单元10佩戴于人体下肢，所述模块化关节驱动单元10用于执行行走动作；
所述行为状态检测单元11用于检测所述机器人的姿态；
所述运动意图检测单元12用于检测所述机器人相对当前地面的支撑状态以及检测人体脚底运动速度和方向；
所述中央处理器13用于对行为状态检测单元11和运动意图检测单元12检测的数据进行处理，根据处理结果生成控制指令并传输至所述模块化关节驱动单元10，以控制所述模块化关节驱动单元10的行走动作。
为了解决现有技术中的另一个不足，本实施例中的机器人主体1包括：用于处理机器人的相关参数和执行控制指令的中央处理器13，用于系统供电及安全防护的供电及安全防护单元2，用于实现行走功能的模块化关节驱动单元10，用于判断机器人姿态、防摔倒的行为状态检测单元11，用于判断机器人当前所处的地面支撑状态、检测判断脚底运动速度和方向变化趋势的运动意图检测单元12。其中，供电及安全防护单元2为中央处理器13、行为状态检测单元11和运动意图检测单元12提供系统电，为模块化关节驱动单元10提供动力电，在紧急情况下可切断动力电，防止意外情况发生。此外，中央处理器13通过一种总线通信方式采集行为状态检测单元11和运动意图检测单元12的状态信息，再通过另一种总线通信方式发送控制指令传输给模块化关节驱动单元10，使得助力行走外骨骼机器人按照指定的控制方式运动。
上述机器人主体1中，所述模块化关节驱动单元10包括有佩戴于人体左髋、左膝、右髋和右膝位置的四个关节驱动器。
本实施例中，所述行为状态检测单元11包括有九轴惯性传感器110，所述中央处理器13根据所述九轴惯性传感器110反馈的数据判断得出所述机器人的姿态。进一步地，所述九轴惯性传感器110检测的数据基于USB协议传输至所述中央处理器13。
作为一种优选方式，所述运动意图检测单元12包括有足底薄膜压力传感器120、大腿压力传感器121和小腿压力传感器122，所述足底薄膜压力传感器120、大腿压力传感器121和小腿压力传感器122所采集的数据均通过CAN总线反馈至所述中央处理器13。
基于上述结构，本发明在运动姿态检测方面，通过在腰部安装九轴惯性传感器，在大腿和小腿位置安装压力传感器及在足底安装薄膜压力传感器来实现多重运动姿态检测，进而准确采集使用者运动意图，保证运动控制的合理性，更好的满足使用者的需求。
为了实现传感器数据采集，本实施例中，所述运动意图检测单元12包括有传感器采集卡123，所述大腿压力传感器121和小腿压力传感器122的输出端分别连接于所述传感器采集卡123，所述传感器采集卡123的输出端连接于所述CAN总线。
作为另一种总线协议，本实施例中，所述中央处理器13将所述控制指令基于EtherCAT协议传输至所述模块化关节驱动单元10。
实际应用中，所述中央处理器13为RC控制器，且所述中央处理器13预设有外骨骼机器人控制算法，藉由所述外骨骼机器人控制算法对所述行为状态检测单元11和运动意图检测单元12反馈的数据进行处理，再根据处理结果生成控制指令。本实施例中，RC控制器搭载外骨骼机器人控制算法，该控制算法结合采集到的传感器信息，可实现机器人模拟人体步态行走功能。同时，九轴惯性传感器将检测到的姿态信息通过USB协议传输到RC控制器，足底薄膜压力传感器和大腿、小腿压力传感器信息通过CAN总线协议传输到RC控制器，RC控制器将合成的控制指令通过EtherCAT协议传输到关节驱动单元，以实现机器人的运动控制。
作为一种优选方式，结合图2和图3所示，所述供电及安全防护单元2包括有上电按钮22和急停按钮23，所述上电按钮22和急停按钮23串接于所述电源分配板21的输入回路或者输出回路。本实施例中，助力行走外骨骼机器人采用双锂电池供电。双锂电池通过自身所带连接器接到电源分配板上，电源分配板为RC控制器、足底薄膜压力传感器和传感器采集卡提供系统电，为左髋、左膝、右髋和右膝关节驱动单元提供动力电，但遇到紧急情况时，拍下急停按钮即可切断动力电。
本发明公开的一种助力行走外骨骼机器人控制系统，其相比现有技术而言的有益效果在于，本发明采用双锂电池供电设计，当一组电池发生故障后，另一组电池可单独工作，从而保证使用安全以及供电稳定性。此外本发明通过增设多重运动姿态检测，充分发挥九轴惯性传感器，大腿、小腿部分的压力传感器和足底薄膜压力传感器的作用，可以更准确的检测机器人姿态及判断运动速度和方向的变化趋势，进而提高系统执行过程的灵活性和准确性。
以上所述只是本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的技术范围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种助力行走外骨骼机器人控制系统，其特征在于，包括有机器人主体(1)和供电及安全防护单元(2)，所述供电及安全防护单元(2)包括有两个锂电池(20)及一电源分配板(21)，所述电源分配板(21)的输入端连接于两个锂电池(20)，所述电源分配板(21)的输出端连接于所述机器人主体(1)，所述电源分配板(21)用于将两个锂电池(20)之一输出的电能转换为可供所述机器人主体(1)控制部分上电的系统电以及可供所述机器人主体(1)动力部分运转的动力电。
2.如权利要求1所述的助力行走外骨骼机器人控制系统，其特征在于，所述机器人主体(1)的动力部分包括有模块化关节驱动单元(10)，所述机器人主体(1)的控制部分包括有行为状态检测单元(11)、运动意图检测单元(12)和中央处理器(13)，所述模块化关节驱动单元(10)、行为状态检测单元(11)和运动意图检测单元(12)分别连接于所述中央处理器(13)，其中：
所述模块化关节驱动单元(10)佩戴于人体下肢，所述模块化关节驱动单元(10)用于执行行走动作；
所述行为状态检测单元(11)用于检测所述机器人的姿态；
所述运动意图检测单元(12)用于检测所述机器人相对当前地面的支撑状态以及检测人体脚底运动速度和方向；
所述中央处理器(13)用于对行为状态检测单元(11)和运动意图检测单元(12)检测的数据进行处理，根据处理结果生成控制指令并传输至所述模块化关节驱动单元(10)，以控制所述模块化关节驱动单元(10)的行走动作。
3.如权利要求2所述的助力行走外骨骼机器人控制系统，其特征在于，所述模块化关节驱动单元(10)包括有佩戴于人体左髋、左膝、右髋和右膝位置的四个关节驱动器。
4.如权利要求2所述的助力行走外骨骼机器人控制系统，其特征在于，所述行为状态检测单元(11)包括有九轴惯性传感器(110)，所述中央处理器(13)根据所述九轴惯性传感器(110)反馈的数据判断得出所述机器人的姿态。
5.如权利要求4所述的助力行走外骨骼机器人控制系统，其特征在于，所述九轴惯性传感器(110脸测的数据基于USB协议传输至所述中央处理器(13)。
6.如权利要求2所述的助力行走外骨骼机器人控制系统，其特征在于，所述运动意图检测单元(12)包括有足底薄膜压力传感器(120)、大腿压力传感器(121)和小腿压力传感器(122)，所述足底薄膜压力传感器(120)、大腿压力传感器(121)和小腿压力传感器(122)所采集的数据均通过CAN总线反馈至所述中央处理器(13)。
7.如权利要求6所述的助力行走外骨骼机器人控制系统，其特征在于，所述运动意图检测单元(12)包括有传感器采集卡(123)，所述大腿压力传感器(121)和小腿压力传感器(122)的输出端分别连接于所述传感器采集卡(123)，所述传感器采集卡(123)的输出端连接于所述CAN总线。
8.如权利要求2所述的助力行走外骨骼机器人控制系统，其特征在于，所述中央处理器(13)将所述控制指令基于EtherCAT协议传输至所述模块化关节驱动单元(10)。
9.如权利要求2所述的助力行走外骨骼机器人控制系统，其特征在于，所述中央处理器(13)为RC控制器，且所述中央处理器(13)预设有外骨骼机器人控制算法，藉由所述外骨骼机器人控制算法对所述行为状态检测单元(11)和运动意图检测单元(12)反馈的数据进行处理，再根据处理结果生成控制指令。
10.如权利要求1所述的助力行走外骨骼机器人控制系统，其特征在于，所述供电及安全防护单元(2)包括有上电按钮(22)和急停按钮(23)，所述上电按钮(22)和急停按钮(23)串接于所述电源分配板(21)的输入回路或者输出回路。
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