CN118304132A - 下肢外骨骼机器人上电自检的方法及下肢外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种下肢外骨骼机器人上电自检的方法及下肢外骨骼机器人，涉及康复医疗技术领域，该方法包括：在机器人系统上电后，获取关节电机的绝对值编码器及惯性传感器的位置信息；若位置信息表示当前处于腿部垂直位置，则控制腿部向前转动到最大角度以及自最大角度向后转动到最小角度；在腿部的转动过程中获取惯性传感器及扭矩传感器的实时数据；判断惯性传感器的实时数据与设定角度是否一致，以及判断扭矩传感器的实时数据是否随设定角度变化呈相关变化；若判断结果均为是，则确定腿部关节角度调节功能正常。本发明实施例可以在上电时检测腿部关节角度调节功能以及腿部伸长功能是否正常，避免因电机绝对位置偏差、传感器故障等导致的安全隐患。

Description

下肢外骨骼机器人上电自检的方法及下肢外骨骼机器人

技术领域

本发明涉及康复医疗技术领域，具体而言，涉及一种下肢外骨骼机器人上电自检的方法及下肢外骨骼机器人。

背景技术

目前下肢外骨骼机器人均包括多个电机和传感器，不同电机和传感器需要不同的电压等级及不同的数据传输速率。现有技术一般在机器人系统上电时检测各电机和传感器的电压是否正确，通信是否成功来判断机器是否正常工作。但是此技术无法判断关节的角度调节功能、腿长的调节功能是否正常，从而存在一定的安全隐患。

发明内容

为解决上述问题，本发明实施例提供了一种下肢外骨骼机器人上电自检的方法，应用于下肢外骨骼机器人，所述方法包括：在机器人系统上电后，获取关节电机的绝对值编码器及惯性传感器(Inertial Measurement Unit，IMU)的位置信息；若所述位置信息表示当前处于腿部垂直位置，则控制腿部向前转动到最大角度以及自所述最大角度向后转动到最小角度；在所述腿部的转动过程中获取惯性传感器及扭矩传感器的实时数据；判断所述惯性传感器的实时数据与设定角度是否一致，以及判断所述扭矩传感器的实时数据是否随设定角度变化呈相关变化；若判断结果均为是，则确定腿部关节角度调节功能正常。

可选地，所述方法还包括：控制腿长电机正转至到达最高限位停止；到达最低高限位后，控制所述腿长电机反转至到达最低限位停止；在所述腿长电机正转或反转过程中，若未出现异常停止及未超过最高限位或最低限位，则确定腿长调节功能正常。

可选地，所述方法还包括：将所述腿部垂直位置设置为关节电机零位。

可选地，所述方法还包括：将所述腿长电机正转至到达最高限位设置为腿长电机零位。

可选地，所述方法还包括：若所述位置信息表示当前未处于腿部垂直位置，则控制腿部转动至垂直位置以及控制所述惯性传感器校准。

可选地，所述方法还包括：若所述惯性传感器的实时数据与设定角度不一致，则输出角度设置检查指令和/或关节电机反馈超差检查指令；若所述扭矩传感器的实时数据不随设定角度变化呈相关变化，则输出扭矩传感器的检查指令。

可选地，所述方法还包括：若出现异常停止、超过最高限位或最低限位未停止，则输出光电传感器检查指令和/或腿长电机反馈超差检查指令。

可选地，所述下肢外骨骼机器人包括光电传感器，所述方法还包括：基于所述光电传感器检测腿部是否伸缩至最高限位或最低限位。

本发明实施例提供了一种下肢外骨骼机器人，包括：关节电机模组、腿长电机模组、惯性传感器、扭矩传感器、限位开关及机器人系统电控板；所述关节电机模组用于调节腿部的角度，所述腿长电机模组用于调节腿部的长度；所述惯性传感器用于获取腿部的角度，所述扭矩传感器用于获取关节的扭矩，所述限位开关用于检测长度调节是否达到限位；所述机器人系统电控板用于执行上述任一项所述的下肢外骨骼机器人上电自检的方法。

可选地，所述限位开关为光电传感器。

本发明实施例提供的下肢外骨骼机器人上电自检的方法及下肢外骨骼机器人，在下肢外骨骼机器人上电时，关节角度可以由最大调整到最小，检测腿部关节角度调节功能是否正常，以及检测腿部伸长调节功能是否正常，从而确定各关键电机和传感器是否正常工作，避免因人为转动造成的电机绝对位置偏差、传感器故障等导致的安全隐患。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的下肢外骨骼机器人的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的下肢外骨骼机器人上电自检的方法的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的下肢外骨骼机器人的软件设计部分的流程示意图。

附图标记说明：

1－关节电机模组；2－腿长电机模组；3－惯性传感器；4－扭矩传感器；5－光电传感器；6－机器人系统电控板。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供一种下肢外骨骼机器人，包括：关节电机模组1、腿长电机模组2、惯性传感器3、扭矩传感器4、限位开关及机器人系统电控板6。

上述关节电机模组用于调节腿部的角度，腿长电机模组用于调节腿部的长度；惯性传感器用于获取腿部的角度，扭矩传感器用于获取关节的扭矩，限位开关用于检测长度调节是否达到限位；机器人系统电控板用于执行本实施例的下肢外骨骼机器人上电自检的方法。

可选地，上述限位开关为光电传感器5。

图1示出了本发明实施例中下肢外骨骼机器人腿部结构示意图。

其中，关节电机模组可以调节大腿、小腿的角度，腿长电机模组可以调节机器人腿部的长度。在机器人上电时，可以实现关节角度调节和腿长调节由最大调整到最小，检测上电时腿部关节角度和伸长的调节功能是否正常，减少安全隐患；以及进一步可以配合各传感器进行电机校零，使机器人运行更稳定。

图2是本发明实施例提供的下肢外骨骼机器人上电自检的方法的流程示意图，该方法应用于上述下肢外骨骼机器人，该方法包括：

S202，在机器人系统上电后，获取关节电机的绝对值编码器及惯性传感器的位置信息。

机器人系统上电后，电控板可以读取关节电机的绝对值编码器及惯性传感器的位置信息，以及基于上述位置信息确定是否处于垂直位置。若处于处置位置，则进一步控制腿部进行最大角度到最小角度的检测过程；若位置信息表示当前未处于腿部垂直位置，则电控板发送指令控制腿部转动至垂直位置以及控制惯性传感器进行校准。

进一步，可以将腿部垂直位置设置为关节电机零位。电控板发送指令设置垂直时为零位，从而进行关节电机校零。

S204，若位置信息表示当前处于腿部垂直位置，则控制腿部向前转动到最大角度以及自最大角度向后转动到最小角度。

为检测上电时腿部关节角度的调节功能是否正常，可以控制腿部向前转动到最大角度，到达最大角度后发送反转指令，使得腿部向后转动到最小角度。在上述转动过程中，实时采集惯性传感器及扭矩传感器的测量数据。

S206，在腿部的转动过程中获取惯性传感器及扭矩传感器的实时数据。

其中，惯性传感器随机器人的腿部转动而运动，扭矩传感器可以采集腿部关节的扭矩。

S208，判断惯性传感器的实时数据与设定角度是否一致，以及判断扭矩传感器的实时数据是否随设定角度变化呈相关变化。

若惯性传感器读取的角度变化和扭矩传感器读取的扭矩值与实际运行的一致，则关节电机模组自检正常，若不一致，则发送失能命令，检查电机反馈的故障以及惯性传感器、扭矩传感器的接线、通讯等是否正常。

具体地，若惯性传感器的实时数据与设定角度一致，以及扭矩传感器的实时数据随设定角度变化呈相关变化，则确定腿部关节角度调节功能正常。

可选地，若惯性传感器的实时数据与设定角度不一致，则输出角度设置检查指令和/或关节电机反馈超差检查指令。

可选地，若扭矩传感器的实时数据不随设定角度变化呈相关变化，则输出扭矩传感器的检查指令。

S210，若判断结果均为是，则确定腿部关节角度调节功能正常。

本发明实施例提供的下肢外骨骼机器人上电自检的方法，在下肢外骨骼机器人上电时，关节角度可以由最大调整到最小，检测腿部关节角度调节功能是否正常，从而可以检查各关键电机和传感器是否正常工作，避免因人为转动造成的电机绝对位置偏差、传感器故障等导致的安全隐患。

进一步，完成关节自检后，可以进行腿长调节功能检测。基于此，上述方法还包括：

首先，控制腿长电机正转至到达限位开关的最高限位停止；其次，到达最低高限位后，控制腿长电机反转至到达最低限位停止；然后，在腿长电机正转或反转过程中，若未出现异常停止及未超过最高限位或最低限位，则确定腿长调节功能正常。

在完成关节角度调节自检后，电控板可以发送腿长电机正转指令，使其到达最高限位停止，此时设置电机为零位，到达最高限位后，电控板发送腿长电机反转指令，使其到达最低限位停止，腿长电机模组自检结束。若自检过程中出现异常停止，或者超过光电开关限位未停止，则发送失能命令，检查收到的故障命令或者光电开关的状态。

可选地，若出现异常停止、超过最高限位或最低限位未停止，则输出光电传感器检查指令和/或腿长电机反馈超差检查指令。

可选地，上述限位开关由光电传感器实现，本实施例中可以基于光电传感器检测腿部是否伸缩至最高限位或最低限位。

可选地，在上述腿长调节过程中，可以将腿长电机正转至到达最高限位设置为腿长电机零位。

本发明实施例通过硬件和软件设计实现下肢外骨骼机器人上电时关节角度和腿长调节由最大调整到最小，检测上电时腿部关节角度和伸长的功能是否正常，配合各传感器进行电机校零，使机器人运行更稳定。

本发明实施例主要由硬件设计部分和软件设计部分组成。图3示出了下肢外骨骼机器人的软件设计部分的流程示意图，包括以下步骤：

S301，读取腿部垂直时关节电机绝对值编码器和IMU传感器的数值。

当机器人开关按钮按下时，电控板给系统各电机和传感器供电，供电完成后，首先读取腿部垂直时关节电机的绝对值编码器和IMU传感器的位置，电控板发送指令设置垂直时为零位。

S302，判断当前位置是否为零位。若是，则执行S303；若否，则执行S304。

S303，发送指令使关节电机转动，使腿部前进和后退到最大角度，读取IMU数值。

电控板给关节电机发送正转指令，使得腿部向前转动到最大角度，到达最大角度后发送反转指令，使得腿部向后转动到最小角度。在转动过程中，电控板可以通过RS485总线接受来自IMU传感器和扭矩传感器的数据。

S304，电控板发送指令设置垂直时为零位，IMU校准。

S305，判断是否与设定角度一致。若是，则执行S306；若否，则执行S307。

S306，读取扭矩传感器的数值。

S307，检查角度设置的阈值和电机反馈的超差等故障信息。

S308，判断是否随角度变化呈相关变化。若是，则执行S309；若否，则执行S310。

若IMU传感器读取的角度变化和扭矩传感器读取的扭矩值与实际运行的一致，则关节电机模组自检结束，若不一致，则发送失能命令，检查电机反馈的故障以及IMU传感器、扭矩传感器的接线和通讯是否正常。

S309，发送指令使腿长电机转动，使腿部上升和下降到最大限位。

S310，检查扭矩传感器的接线或自身的损坏。

S311，判断到达上下限位是否停止。若是，则结束；若否，则执行S312。

S312，检查光电传感器接线和腿长电机反馈的超差等故障信息。

完成关节自检后，电控板发送腿长电机正转指令，使其到达最高限位停止，此时设置电机为零位，限位开关由光电传感器实现，到达最高限位后，电控板发送腿长电机反转指令，使其到达最低限位停止，腿长电机模组自检结束，若自检过程中出现异常停止，或者超过光电开关限位未停止，则发送失能命令，检查收到的故障命令或者光电开关的状态。

本发明实施例借助惯性传感器、光电传感器和扭矩传感器实现电机的校零和运行监测，从而实现电机的精准控制，在整机上电后的自检使得设备在运行中更加稳定，避免电机和传感器的问题导致的安全问题。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的下肢外骨骼机器人而言，由于其与上述实施例公开的下肢外骨骼机器人上电自检的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种下肢外骨骼机器人上电自检的方法，其特征在于，应用于下肢外骨骼机器人，所述方法包括：

在机器人系统上电后，获取关节电机的绝对值编码器及惯性传感器的位置信息；

若所述位置信息表示当前处于腿部垂直位置，则控制腿部向前转动到最大角度以及自所述最大角度向后转动到最小角度；

在所述腿部的转动过程中获取惯性传感器及扭矩传感器的实时数据；

判断所述惯性传感器的实时数据与设定角度是否一致，以及判断所述扭矩传感器的实时数据是否随设定角度变化呈相关变化；

若判断结果均为是，则确定腿部关节角度调节功能正常。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

控制腿长电机正转至到达最高限位停止；到达最低高限位后，控制所述腿长电机反转至到达最低限位停止；

在所述腿长电机正转或反转过程中，若未出现异常停止及未超过最高限位或最低限位，则确定腿长调节功能正常。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

将所述腿部垂直位置设置为关节电机零位。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

将所述腿长电机正转至到达最高限位设置为腿长电机零位。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

若所述位置信息表示当前未处于腿部垂直位置，则控制腿部转动至垂直位置以及控制所述惯性传感器校准。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

若所述惯性传感器的实时数据与设定角度不一致，则输出角度设置检查指令和/或关节电机反馈超差检查指令；

若所述扭矩传感器的实时数据不随设定角度变化呈相关变化，则输出扭矩传感器的检查指令。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

若出现异常停止、超过最高限位或最低限位未停止，则输出光电传感器检查指令和/或腿长电机反馈超差检查指令。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述下肢外骨骼机器人包括光电传感器，所述方法还包括：

基于所述光电传感器检测腿部是否伸缩至最高限位或最低限位。

9.一种下肢外骨骼机器人，其特征在于，包括：关节电机模组、腿长电机模组、惯性传感器、扭矩传感器、限位开关及机器人系统电控板；

所述关节电机模组用于调节腿部的角度，所述腿长电机模组用于调节腿部的长度；

所述惯性传感器用于获取腿部的角度，所述扭矩传感器用于获取关节的扭矩，所述限位开关用于检测长度调节是否达到限位；

所述机器人系统电控板用于执行权利要求1-8任一项所述的下肢外骨骼机器人上电自检的方法。

10.根据权利要求9所述的下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述限位开关为光电传感器。