[发明专利]多自由度穿戴式下肢外骨骼机器人电动控制系统

权利要求书

1.一种多自由度穿戴式下肢外骨骼机器人电动控制系统，该系统包括主控制器1、关节控制器2、手杖检测单元3、位姿检测单元4、电源单元5、电机驱动控制器6、电机7。

2.如权利要求1所述的一种多自由度穿戴式下肢外骨骼机器人电动控制系统，其特征在于，所述的主控制器1由高速微处理器CPU、CAN通讯模块A1组成。高速微处理器CPU通过CAN通讯模块A1实现与关节控制2间的双向数据通讯，并且直接与位姿检测单元相连，实现位姿单元到主控制器的单向数据通讯。主控制器1分别与各关节控制器2、位姿检测单元4和电源单元5相连。其中高速CPU负责接收各个关节控制器发送过来的信息和位姿检测单元4数据，完成关于穿戴式下肢外骨骼机器人步态规划整体和运动综合的相关运算，并通过CAN通讯模块A1传递给关节控制器2.另外人机交互任务也由其完成。

3.如权利要求1所述的一种多自由度穿戴式下肢外骨骼机器人电动控制系统，其特征在于，所述的关节控制器2由微处理器CPU、CAN通讯模块B1、无线通讯模块B2、速度控制模块B3、电流控制模块B4、PWM信号生成电路B5、位置信号处理模块B6、AD转换电路B7、低电源电压保护电路B8、限流保护电路B9、短路保护电路B10组成。微处理器CPU由通过CAN通讯模块B1实现与主控制器1间的双向数据通讯，通过无线通讯模块B2实现与手杖检测单元3间的双向数据通讯，通过速度控制模块B3、电流控制模块B4和PWM信号生成电路B5产生对电机7的控制信号，通过低电源电压保护模块B8、限流保护模块B9、短路保护电路B10采集外围可能产生保护的原始信号，并最终产生相应的保护信号，通过位置信号处理模块B6和AD转换电路B7处理位置、速度和电流信号，并且直接与位姿检测单元4相连。关节控制器2分别主控制器1、手杖检测单元3、位姿检测单元4、电源单元6、电机驱动控制器6相连。其中微处理器CPU通过CAN通讯模块B1接收主控制器1的目标信息，并根据目标信息和外接的各种传感器采集的信息，进行综合运算，完成对后续电机的位置、速度、电流的控制，达到控制目标。另外在整个实时期间，还通过电压保护电路B8、限流保护电路B9、短路保护电路B10时刻对所控制电路进行检测保护。

4.如权利要求1所述的一种多自由度穿戴式下肢外骨骼机器人电动控制系统，其特征在于，所述的手杖检测单元3由按键与传感器C1、整形滤波电路C2、手杖检测单元CPU C3、无线通讯模块C4和独立电源模块C5组成。按键与传感器C1经过整形滤波电路C2连接到手杖检测单元CPU C3上，手杖检测单元CPU C3通过无线通讯模块C4实现与关节控制器2间的双向通讯，独立电源模块C5分别给其他模块供电。手杖检测单元3与关节控制器2无线相连。其中手杖检测单元CPU C3是负责接收传感器信息，并经过处理之后进行编码，之后经过无线通讯模块C4发送给关节控制器1。手杖检测单元3独立于其他硬件，安装在自由活动的手杖之上，通过无线通讯模块C4与其他部分相连。

5.如权利要求1所述的一种多自由度穿戴式下肢外骨骼机器人电动控制系统，其特征在于，所述的位姿检测单元4由位姿采集模块D1、信号提取模块D2、信号初步处理模块D3、光电隔离模块D4和独立电源模块D5组成。位姿采集信号D1依次经过信号提取模块D2、信号初步处理模块D3和光电隔离模块D4与主控制器1和关节控制器2相连，独立电源模块分别给其他各模块供电。其中位姿采集模块D1采集位姿信号，经过信号提取模块D2得到有用的位姿信号，这些再经过信号初步处理模块D3得到简化的信号，之后通过光电隔离模块D4传输到主控制器1和关节控制器2上。

6.如权利要求1所述的一种多自由度穿戴式下肢外骨骼机器人电动控制系统，其特征在于，电源单元5由电源滤波模块E1、电源保护模块E2、隔离模块E3、开关电源模块E4和稳压滤波模块E5组成。其中电源滤波模块E1外接36V电源，后接电源保护模块E2，再经隔离模块E3产生36V功率电源和连接开关电源模块E4的数字电源，开关电源模块E4产生的各种电压经过稳压滤波模块E5后对外输出，这里的完成了大功率电源和小功率电源的隔离、数字电源和模拟电源的隔离。

7.如权利要求1所述的一种多自由度穿戴式下肢外骨骼机器人电动控制系统，其特征在于，电机驱动控制器6主要由专用伺服驱动模块F1和电流检测模块F2组成。专门伺服驱动模块B6的输入端与关节控制器2的PWM信号生成电路B5经过隔离处理后相连，输出经过电流检测模块F2连接到电机7驱动输入端，电流检测模块F2的输出端与关节控制器2的AD转换电路B7相连。电机的转轴同轴减速前端装有速度传感器，同轴减速后端装有位置传感器，两者的输出端都连接到关节控制器2的位置信号处理模块B6相连。其中专用伺服驱动模块F1接收关节控制器1的控制信号，进行功率放大，再通过电流检测模块F2去控制驱动电机，由于功率较大，散热模块加快专用伺服驱动模块F1的散热。