[发明专利]实现节律柔顺运动的液压外骨骼机器人控制系统及方法

摘要

本发明涉及一种实现外骨骼机器人节律柔顺运动的控制系统及方法，所述控制系统包括感知与规划系统、伺服控制系统和供电系统；所述感知与规划系统包括感知与规划处理器、足底压力采集模块、人机交互力采集模块、惯性传感器模块和人机交互界面；所述伺服控制系统包括执行层控制器、电液驱动系统、反馈测量单元和机器人本体模块；所述步态模式发生器统一协调产生各个关节参考运动轨迹；所述执行层控制器中包括了力控制算法和位置控制控制算法。本发明采用层次化、分布式控制系统，通过合理分配各个部分的计算量，不仅提高系统的可靠性与实时性，而且能够提高外骨骼机器人的柔顺性和敏捷性。

主权项

1.一种实现节律柔顺运动的液压外骨骼机器人控制系统，其特征在于：包括感知与规划系统、伺服控制系统和供电系统；所述感知与规划系统包括感知与规划处理器、足底压力采集模块、人机交互力采集模块、惯性传感器数据采集模块和人机交互界面；所述足底压力采集模块的输出端和感知与规划处理器相连接，用于测量足底压力在时间和空间上的分布；所述人机交互力采集模块的输出端和感知与规划处理器相连接，用于测量穿戴者大腿处与外骨骼之间的接触力信息；所述惯性传感器数据采集模块的输出端和感知与规划处理器相连接，用于测量穿戴者下肢大小腿以及上肢躯干姿态信息；所述人机交互模块和感知与规划处理器相连接，用于捕捉、传递和显示人机数据交互；所述感知与规划处理器包括DSP处理模块和FPGA接口模块，其输出端与伺服控制系统相连接，用于接收各采集模块的输出数据，对人体运动步态进行在线综合分析，在线生成机器人各个关节运动参考轨迹和控制模式并且输出至伺服控制系统；所述伺服控制系统包括执行层控制器、电液驱动系统、反馈测量单元和机器人本体模块；所述执行层控制器包括DSP处理模块和FPGA接口模块；所述电液驱动系统由液压泵电机驱动板、伺服阀电机驱动板和液压系统构成；所述执行层控制器FPGA接口模块接收机器人反馈测量单元中各个传感器数据后输出至执行层控制器DSP处理模块；所述执行层控制器DSP处理模块的输出端通过液压泵电机驱动板、伺服阀电机驱动板与液压系统相连接，用于输出液压泵电机与伺服阀电机的控制信号进而控制液压系统作动；所述液压系统输出端与机器人本体模块相连接，用于驱动机器人本体各个关节模块运动；所述机器人本体上的髋关节和膝关节角度编码器与执行层控制器FPGA接口模块相连接，用于将机器人本体的髋关节角度与膝关节角度输出至执行层控制器FPGA接口模块进行反馈；所述液压系统上的液压泵转速编码器、伺服阀角度编码器、髋部缸油压传感器和膝部缸油压传感器与执行层控制器FPGA接口模块相连接，用于将液压系统的液压泵转速、伺服阀开度、机器人髋部油缸压力信号和机器人膝部油缸压力信号输出至执行层控制器FPGA接口模块进行反馈；所述液压泵电机、伺服阀电机通过电流传感器与执行层控制器FPGA接口模块相连接，用于将液压泵电机与伺服阀电机的电流信号输出至执行层控制器FPGA接口模块进行反馈；所述供电系统的输出端分别与感知与规划系统和伺服控制系统相连接并为其供电。