CN211300970U - 一种外骨骼康复机器人控制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种外骨骼康复机器人控制系统，包括移动平台系统、下肢外骨骼系统和数据终端，其中：所述移动平台系统包括单片机一、轮毂电机和减重系统；所述下肢外骨骼系统包括本体驱动系统、单片机二和感知控制系统。本控制系统很好地解决了外骨骼的滞后性问题，实现人机的一致性；扩宽了外骨骼的使用范围；解决了患者与医生，患者与家属的信息互通及患者训练体验等问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种外骨骼康复机器人控制系统。
背景技术
目前，国内下肢外骨骼机器人控制系统大多是被动的带动病人按照正常的步态运动。病人会有严重的不舒适感，只是简单让骨骼机械的运动，并没有实现和病人行走的一个同步性和协调性，也就是没有对病人的步态进行预测，实时的根据病人的具体情况来控制下肢外骨骼，具有一个严重的滞后性问题。另一方面，只有单一的下肢外骨骼，适用的病人范围相对狭窄。此外，没有对病人康复效果的一个总结、反馈和记录，不能在医生制定康复计划时给出一定的建议。且配置的减重装置，其驱动电机运动单一，并不按照患者康复情况或疲劳程度运行。
实用新型内容
针对上述现有技术的不足，本实用新型要解决的技术问题是提供一种外骨骼康复机器人控制系统。
本实用新型采取的技术方案是:
一种外骨骼康复机器人控制系统，包括移动平台系统、下肢外骨骼系统和数据终端，其中：
所述移动平台系统包括单片机一、轮毂电机和减重系统，所述轮毂电机安装在移动平台下侧，用于驱动移动平台移动，所述减重系统包括减重电机和拉力传感器，所述减重电机安装在移动平台上用于驱动减重装置上下移动，所述拉力传感器安装在移动平台的两侧；所述单片机一安装在移动平台上，其分别与上述轮毂电机和减重电机通过各自的电机驱动器连接，具体为所述单片机一的can接口电性连接各电机驱动器的can接口，各电机驱动器与各电机通过电源线、编码线和信号线连接；
所述下肢外骨骼系统包括本体驱动系统、单片机二和感知控制系统，所述本体驱动系统包括左右膝关节电机、左右髋关节电机，所述单片机二分别与左右膝关节电机、左右髋关节电机通过各自的电机驱动器连接，具体为所述单片机二的can接口电性连接各电机驱动器的can接口，各电机驱动器与各电机通过电源线、编码线和信号线连接；所述感知控制系统包括角度传感器、力传感器、加速度计、薄膜压力传感器，所述角度传感器安装在下肢外骨骼左、右膝关节和左、右髋关节处，所述力传感器安装在用于连接下肢外骨骼的大、小腿杆与患者大、小腿的绑带内侧上，所述加速度计安装在用于连接下肢外骨骼的大、小腿杆与患者大、小腿的绑带外侧上，所述薄膜压力传感器安装在下肢外骨骼的脚底板上；
所述拉力传感器通过变送器与单片机二通过RS485通讯连接；所述角度传感器与单片机一之间通过I2C通讯连接；所述薄膜压力传感器通过电阻转电压模块与单片机一连接，其中单片机一的+3.3V、GND、PA6接口分别与电阻转电压模块的VCC、GND、AO 接口连接；所述力传感器串口电性连接单片机一串口；所述加速计与单片机一之间通过I2C通讯连接；所述单片机一与单片机二通过串口通信连接，所述单片机一、单片机二与数据终端通讯连接。
优选地，所述力传感器位于患者大、小腿的前侧和后侧，所述加速计位于患者大、小腿的左侧或右侧。
优选地，所述薄膜压力传感器分别安装在下肢外骨骼的脚底板的第一跖骨头、第二跖骨头、第三到第五跖骨头中间以及足跟中部。
优选地，所述单片机系统采用stm32f407系列作为中央处理器。
优选地，所述加速度计采用JY901模块。
优选地，所述薄膜压力传感器采用FSR402薄膜压力传感器。
优选地，所述拉力传感器采用微型拉压力传感器DYLY-106。
优选地，所述角度传感器采用ADXL345倾斜度角度传感器。
优选地，所述上位机为平板电脑或者手机终端。
优选地，所述轮毂电机采用5寸双轴轮毂伺服电机。
优选地，所述单片机一、单片机二分别通过WiFi或蓝牙或局域网与数据终端通讯连接。
与现有技术相比较，本实用新型的有益效果是：
1、现有的技术大多是被动的带动病人按照正常的步态运动。病人会有严重的不舒适感，只是简单让骨骼机械的运动，并没有实现和病人行走的一个同步性和协调性，也就是没有对病人的步态进行预测，实时的根据病人的具体情况来控制下肢外骨骼，具有一个严重的滞后性问题。另一方面，只有单一的下肢外骨骼，适用的病人范围相对狭窄。此外，没有对病人康复效果的一个总结、反馈和记录，医生也无法实时的了解到患者的康复数据，不能在医生制定康复计划时给出一定的建议，无法更好的设定训练方案。本实用新型通过移动平台系统，可以为患者等级更高的患者进行使用，拓宽了下肢外骨骼的使用范围；通过多传感器采集的信息，对患者的步幅、步频、姿态和人机交互力等进行分析、处理和预测，降低外骨骼运动的滞后性，实现人机运动的一致，使得患者有更舒适的体验感。而对于医生而言，通过数据终端能够了解患者的各方面的训练数据，并且该系统通过对患者的历史训练数据进行分析处理给出患者的训练效果和训练时间、强度的建议。医生能够通过上位机设置不同的参数比如角度、速度、人机交互力等信息可以调节适应不同人的步态训练需求。
2、本控制系统很好地解决了外骨骼的滞后性问题，实现人机的一致性；扩宽了外骨骼的使用范围；解决了患者与医生，患者与家属的信息互通及患者训练体验等问题。
附图说明
图1为本实用新型控制系统的结构组成图；
图2为感知控制系统内多个传感器的安装示意图；
图3为本实用新型控制系统的工作示意图。
具体实施方式
为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。
实施例1
一种外骨骼康复机器人控制系统，如图1所示，包括移动平台系统1、下肢外骨骼系统2和数据终端3，其中：
所述移动平台系统1包括单片机一11、轮毂电机12和减重系统13，所述轮毂电机12安装在移动平台下侧，用于驱动移动平台移动，所述减重系统13包括减重电机 131和拉力传感器132，所述减重电机安装在移动平台上用于驱动减重装置上下移动，所述拉力传感器安装在移动平台的两侧；所述单片机一11安装在移动平台上，其分别与上述轮毂电机12和减重电机通过各自的电机驱动器连接，具体为所述单片机一11 的can接口电性连接各电机驱动器的can接口，各电机驱动器与各电机通过电源线、编码线和信号线连接；
所述下肢外骨骼系统2包括本体驱动系统21、单片机二22和感知控制系统23，所述本体驱动系统21包括左膝关节电机211、右膝关节电机212、左髋关节电机213、右髋关节电机214，所述单片机二22分别与左右膝关节电机、左右髋关节电机通过各自的电机驱动器连接，具体为所述单片机二22的can接口电性连接各电机驱动器的can 接口，各电机驱动器与各电机通过电源线、编码线和信号线连接；如图2所示，所述感知控制系统23包括角度传感器231、力传感器232、加速度计233、薄膜压力传感器 234，所述角度传感器231安装在下肢外骨骼左、右膝关节和左、右髋关节处，所述力传感器232安装在用于连接下肢外骨骼的大、小腿杆与患者大、小腿的绑带内侧上，具体位于患者大、小腿的前侧和后侧，所述加速度计233安装在用于连接下肢外骨骼的大、小腿杆与患者大、小腿的绑带外侧上，具体位于患者大、小腿的左侧或右侧：左侧腿上的位于左侧，右侧腿上的位于右侧；所述薄膜压力传感器234安装在下肢外骨骼的脚底板上；
所述拉力传感器232通过变送器与单片机二22通过RS485通讯连接；所述角度传感器231与单片机一11之间通过I2C通讯连接；所述薄膜压力传感器234通过电阻转电压模块与单片机一11连接，其中单片机一11的+3.3V、GND、PA6接口分别与电阻转电压模块的VCC、GND、AO接口连接；所述力传感器232串口电性连接单片机一11串口；所述加速计与单片机一11之间通过I2C通讯连接；所述单片机一11与单片机二 22通过串口通信连接，所述单片机一11、单片机二22与数据终端3通讯连接。
本实施例中，所述薄膜压力传感器234分别安装在下肢外骨骼的脚底板的第一跖骨头、第二跖骨头、第三到第五跖骨头中间以及足跟中部，其中第五跖骨头距足跟后侧的距离≈足长*72％，第一跖骨头距足跟后侧的距离≈足长*64％。结合国标中不同鞋码对应的足长和足宽，可得到不同足长和足宽对应的第一跖骨和第五跖骨头到足跟后侧的距离，即知不同足长的患者其足底四个测量点的位置；所述单片机系统采用 stm32f407系列作为中央处理器，所述加速度计233采用JY901模块，所述薄膜压力传感器234采用FSR402薄膜压力传感器234，所述拉力传感器232采用微型拉压力传感器232DYLY-106，所述角度传感器231采用ADXL345倾斜度角度传感器231，所述上位机为平板电脑或者手机终端，所述轮毂电机12采用5寸双轴轮毂伺服电机，所述单片机一11、单片机二22分别通过WiFi与数据终端3通讯连接。足底安装薄膜压力传感器234，大腿和小腿中部的前后侧安装力传感器232，用于测量人机交互力的测量；大腿和小腿中部的单侧面安装加速度计233用于测量步态情况；髋关节和膝关节处安装角度传感器231测量关节角度变化。
工作时，如图3所示，首先上位机输入减重值通过WI FI给单片机二22，单片机一11通过控制减重电机将人吊起，当拉力传感器232示数达到输入减重值时停止完成减重，然后上位机输入初始步态曲线相关参数通过WiFi给单片机一11，单片机一11对本体驱动系统21下达指令控制髋关节和膝关节处的电机正反转和转速，通过关节处的角度传感器231得到当前本体外骨骼的步态信息，然后感知系统通过各传感器，经过卡尔曼滤波、人工神经网络融合多传感器信息之后得到0.5秒后的步态信息，与本体驱动系统21得到的当前步态信息进行比较，通过偏差反馈给单片机一11，单片机一 11继续通过本体驱动系统21调整关节处的电机正反转和转速，单片机一11与单片机二22通过串口进行通信，将当前的信息传递给单片机二22，单片机二22调整轮毂电机12的转速来与外骨骼进行速度的匹配。
Claims (10)
1.一种外骨骼康复机器人控制系统，其特征在于，包括移动平台系统、下肢外骨骼系统和数据终端，其中：
所述移动平台系统包括单片机一、轮毂电机和减重系统，所述轮毂电机安装在移动平台下侧，用于驱动移动平台移动，所述减重系统包括减重电机和拉力传感器，所述减重电机安装在移动平台上用于驱动减重装置上下移动，所述拉力传感器安装在移动平台的两侧；所述单片机一安装在移动平台上，其分别与上述轮毂电机和减重电机通过各自的电机驱动器连接，具体为所述单片机一的can接口电性连接各电机驱动器的can接口，各电机驱动器与各电机通过电源线、编码线和信号线连接；
所述下肢外骨骼系统包括本体驱动系统、单片机二和感知控制系统，所述本体驱动系统包括左右膝关节电机、左右髋关节电机，所述单片机二分别与左右膝关节电机、左右髋关节电机通过各自的电机驱动器连接，具体为所述单片机二的can接口电性连接各电机驱动器的can接口，各电机驱动器与各电机通过电源线、编码线和信号线连接；所述感知控制系统包括角度传感器、力传感器、加速度计、薄膜压力传感器，所述角度传感器安装在下肢外骨骼左、右膝关节和左、右髋关节处，所述力传感器安装在用于连接下肢外骨骼的大、小腿杆与患者大、小腿的绑带内侧上，所述加速度计安装在用于连接下肢外骨骼的大、小腿杆与患者大、小腿的绑带外侧上，所述薄膜压力传感器安装在下肢外骨骼的脚底板上；
所述拉力传感器通过变送器与单片机二通过RS485通讯连接；所述角度传感器与单片机一之间通过I2C通讯连接；所述薄膜压力传感器通过电阻转电压模块与单片机一连接，其中单片机一的+3.3V、GND、PA6接口分别与电阻转电压模块的VCC、GND、AO接口连接；所述力传感器串口电性连接单片机一串口；所述加速度计与单片机一之间通过I2C通讯连接；所述单片机一与单片机二通过串口通信连接，所述单片机一、单片机二与数据终端通讯连接。
2.根据权利要求1所述一种外骨骼康复机器人控制系统，其特征在于，所述力传感器位于患者大、小腿的前侧和后侧，所述加速度计位于患者大、小腿的左侧或右侧。
3.根据权利要求1所述一种外骨骼康复机器人控制系统，其特征在于，所述薄膜压力传感器分别安装在下肢外骨骼的脚底板的第一跖骨头、第二跖骨头、第三到第五跖骨头中间以及足跟中部。
4.根据权利要求1所述一种外骨骼康复机器人控制系统，其特征在于，所述单片机系统采用stm32f407系列作为中央处理器。
5.根据权利要求1所述一种外骨骼康复机器人控制系统，其特征在于，所述加速度计采用JY901模块。
6.根据权利要求1所述一种外骨骼康复机器人控制系统，其特征在于，所述薄膜压力传感器采用FSR402薄膜压力传感器；所述拉力传感器采用微型拉压力传感器DYLY-106。
7.根据权利要求1所述一种外骨骼康复机器人控制系统，其特征在于，所述角度传感器采用ADXL345倾斜度角度传感器。
8.根据权利要求1所述一种外骨骼康复机器人控制系统，其特征在于，所述数据终端为平板电脑或者手机终端。
9.根据权利要求1所述一种外骨骼康复机器人控制系统，其特征在于，所述轮毂电机采用5寸双轴轮毂伺服电机。
10.根据权利要求1所述一种外骨骼康复机器人控制系统，其特征在于，所述单片机一、单片机二分别通过WiFi或蓝牙或局域网与数据终端通讯连接。
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| CN110292508A (zh) * | 2019-07-03 | 2019-10-01 | 广西科技大学 | 一种外骨骼康复机器人控制系统 |
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