[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

说明书

一.技术领域

本发明涉及一种穿戴式康复医疗机器人的控制系统，具体涉及一种多自由度穿戴式下肢外骨骼机器人电动控制系统。

二.背景技术

可穿戴式下肢外骨骼机器人是一种典型的外骨骼助理装置，穿戴在操作者的者的外部，为操作者提供诸如助力、保护、身体支撑等功能，同时又融合了传感、控制、移动计算等机器人技术，使得该机器人能在操作者的无意识控制下完成一定的功能和任务，是典型的人机一体化系统。穿戴式助力装置时一个崭新的研究领域，目前仍然处于探索研究阶段、当前利用外骨骼评估、重建和提高残疾肢体运动肌肉灵活性的研究已经成为国内外的热点研究课题。

人体助力外骨骼机器人起源于美国1966年的哈曼顿助力机器人的设想及研发，到今天整体仍处于研发阶段。20世纪80年代是康复机器人研究的起步发展阶段，美国、英国和加拿大在康复机器人方面的研究处于世界领先地位；1990年以后康复机器人的研究进入到全面发展时期，相关的各项技术也均有了长足的发展，可为外骨骼机器人的成功实现提供有力的支撑。

从2004年开始，国内一些院校陆续开始了这方面的研究，而与外骨骼相关的控制系统也相继开始进行研究，如浙大研发的气动控制系统和液压控制系统以及本单位研发的电动控制系统。由于外骨骼机器人控制系统涵盖了伺服电机、自动控制、电力电子、驱动、传感器、信息处理等技术等多个领域的专业知识，门槛很高、迈入困难，至今没有与简洁的外骨骼结构相配套的控制系统，而穿戴式下肢外骨骼机器人迅猛的发展势头也将驱使相应的控制系统的研究成为未来几年的热点。

三.发明内容

本发明的目的在于，基于穿戴式下肢外骨骼机器人本身的特点和电动控制的要求，提供一种满足多自由度穿戴式下肢外骨骼机器人需求的电动控制系统。本发明采用数字电源与模拟电源隔离耦合、大功率电源与小功率电源隔离耦合，防止模拟电源对数字电源的串扰、大功率电源与小功率电源的串扰，提高系统的可靠性；采用模块化设计思想，在硬件设计上，将与步态控制和大量数据运算相关的功能放在主控板上，与各关节相关控制和信号采集处理放在相应的关节控制器上，与电机控制相关功能放在电机驱动控制器上，与拐杖检测功能相关的放在拐杖检测电路板上，从而便于控制的生产、测试、安装、维修、更换；在软件设计上，采用功能化、模块化、层次化设计，可重用性强，使程序结构清晰，易于编写、维护。

本发明的实现方案：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。

其特征为：

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。

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。