一種用于下肢外骨骼的分布式液壓控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于下肢外骨骼的分布式液壓控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]助力外骨骼機(jī)器人是一種可穿戴式隨動(dòng)系統(tǒng)，它工作時(shí)必須與人體運(yùn)動(dòng)相配合；對(duì)于助力外骨骼機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，需要姿態(tài)儀采集穿戴者的運(yùn)動(dòng)意圖及趨勢(shì)，然后對(duì)助力外骨骼進(jìn)行控制，使其跟隨穿戴者的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行有效助力；軍事應(yīng)用中，外骨骼能提高士兵的承載能力，加快行軍速度，使士兵能夠負(fù)重長(zhǎng)途跋涉于車(chē)輛無(wú)法通過(guò)的地方；在民用方面它也具有廣闊的應(yīng)用前景:抗險(xiǎn)救災(zāi)、消防、建筑施工、家具搬運(yùn)等。
[0003]在本領(lǐng)域中，公開(kāi)的技術(shù)有專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)為CN 103622792 A的，名為“外骨骼助力機(jī)器人的信息采集與控制系統(tǒng)”的發(fā)明專(zhuān)利，該系統(tǒng)上共安裝四類(lèi)傳感器，包括加速度、壓力傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器和陀螺儀，將壓力傳感器安裝在腳掌主要受力點(diǎn)，將加速度傳感器安裝在大小腿中間、髖關(guān)節(jié)進(jìn)行加速度測(cè)量。將陀螺儀安裝在腰后中間測(cè)量重心，另外采集旋轉(zhuǎn)編碼器數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)。根據(jù)傳感器分布用獨(dú)立單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并采用zigbee無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。
[0004]但是該裝置也存在以下不足之處:(1)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式確實(shí)在控制上容易實(shí)現(xiàn)，但其最大的缺點(diǎn)是輸出扭矩小，驅(qū)動(dòng)力有限；而液壓驅(qū)動(dòng)的輸出功率比較大，具有緩沖的作用，而且可以存儲(chǔ)一定的能量，所以液壓驅(qū)動(dòng)方式用在助力外骨骼上更勝一籌；(2) Zigbee通信模塊的傳輸速率理論值是250kbps的，實(shí)際中一般也就20-30kbps的傳輸速率，速率低、價(jià)格相對(duì)昂貴、協(xié)議也比較復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種用于下肢外骨骼的分布式液壓控制系統(tǒng)，利用液壓驅(qū)動(dòng)來(lái)滿足大功率、高剛度的要求，液壓驅(qū)動(dòng)的輸出功率比較大，具有緩沖的作用，而且可以存儲(chǔ)一定的能量，所以液壓驅(qū)動(dòng)方式用在助力外骨骼上比電機(jī)驅(qū)動(dòng)更勝一籌，解決電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式輸出扭矩小、驅(qū)動(dòng)力有限的不足的問(wèn)題，并利用2.4G通信模塊取代常用的Zigbee通信模塊，解決了其數(shù)據(jù)傳輸速率低、價(jià)格相對(duì)昂貴、協(xié)議復(fù)雜的問(wèn)題；通過(guò)信息采集與控制模塊實(shí)時(shí)采集并分析人體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)意圖，從而驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)工作帶動(dòng)機(jī)械組件和人運(yùn)動(dòng)，使系統(tǒng)更加智能，使用更加方便。
[0006]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的:一種用于下肢外骨骼的分布式液壓控制系統(tǒng)，它包括姿態(tài)儀模塊、通信基站、上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)、控制電路模塊、液壓工作模塊和編碼模塊；所述的姿態(tài)儀模塊通過(guò)無(wú)線通信與通信基站連接；通信基站與上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)連接；通信基站還與控制電路模塊連接；所述的控制電路模塊分別與液壓工作模塊和編碼器模塊連接；
所述的控制電路模塊包括多個(gè)控制器單元，所述的控制器單元包括ARM微處理器和液壓驅(qū)動(dòng)電路，所述的ARM微處理器通過(guò)CAN總線與通信基站連接，通過(guò)串口通信電路與編碼器模塊連接，ARM微處理器的輸出端與液壓驅(qū)動(dòng)電路連接，所述的液壓驅(qū)動(dòng)電路與液壓工作模塊連接；
所述的液壓工作模塊包括多個(gè)液壓工作單元，所述的液壓工作單元均包括伺服放大器、電液伺服閥和雙作用液壓缸，伺服放大器的輸入端與控制電路模塊連接，伺服放大器的輸出端與電液伺服閥連接，電液伺服閥的輸出端與雙作用液壓缸連接；
所述的上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)用于顯示姿態(tài)儀模塊采集到的信息，并根據(jù)姿態(tài)儀模塊采集到的信息分析處理得到控制信號(hào)，并將控制信號(hào)發(fā)送給控制電路模塊，由控制電路模塊控制液壓工作模塊進(jìn)行工作；
所述的編碼器模塊用于采集大小腿的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)信息，并將采集到的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)信息傳回控制電路模塊，控制電路模塊將編碼器模塊采集到的信息與姿態(tài)儀模塊采集到的信息進(jìn)行對(duì)比，對(duì)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行矯正。
[0007]所述的伺服放大器包括差分比例放大電路、功率放大電路和限流保護(hù)電路，所述的差分比例放大電路的輸入端與液壓驅(qū)動(dòng)電路連接，差分比例放大電路的輸出端與功率放大電路的差分信號(hào)輸入端連接，功率放大電路的輸出端與電液伺服閥連接，功率放大電路的輸出端還與自身的反饋信號(hào)輸入端連接；所述的限流保護(hù)電路與差分比例放大電路連接。
[0008]所述的姿態(tài)儀模塊包括多個(gè)姿態(tài)儀傳感器，所述的姿態(tài)儀傳感器分別為:左大腿姿態(tài)儀傳感器、左小腿姿態(tài)儀傳感器、右大腿姿態(tài)儀傳感器，右小腿姿態(tài)儀傳感器和背部姿態(tài)儀傳感器。
[0009]所述的多個(gè)控制器單元分別為左髖關(guān)節(jié)控制器、左膝關(guān)節(jié)控制器、右髖關(guān)節(jié)控制器和右膝關(guān)節(jié)控制器。
[0010]所述的多個(gè)液壓工作單元分別為左大腿液壓工作單元、左小腿液壓工作單元、右大腿液壓工作單元和右小腿液壓工作單元。
[0011]所述的編碼器模塊包括左髖關(guān)節(jié)編碼器、左膝關(guān)節(jié)編碼器、右髖關(guān)節(jié)編碼器和右膝關(guān)節(jié)編碼器。
[0012]所述的姿態(tài)儀模塊和通信基站均包括2.4G無(wú)線通信模塊，姿態(tài)儀模塊和通信基站之間通過(guò)2.4G無(wú)線通信傳輸數(shù)據(jù)。
[0013]所述的通信基站通過(guò)CAN總線轉(zhuǎn)USB接口與上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)連接，通過(guò)CAN總線與控制電路模塊連接。
[0014]所述的姿態(tài)儀傳感器包括三軸陀螺儀、加速度計(jì)MPU6500和電子羅盤(pán)HMC5983。
[0015]所述的姿態(tài)儀模塊、編碼器模塊、控制電路模塊和液壓工作模塊中包含的不同位置的設(shè)備是成分布式對(duì)應(yīng)的:
上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)根據(jù)左大腿姿態(tài)儀傳感器采集到的信號(hào)進(jìn)行分析處理得到控制信號(hào)，并將控制信號(hào)發(fā)送給左髖關(guān)節(jié)控制器來(lái)控制左大腿液壓工作單元工作，在工作過(guò)程中，左髖關(guān)節(jié)編碼器將實(shí)時(shí)采集到的左大腿運(yùn)動(dòng)信息發(fā)送給左髖關(guān)節(jié)控制器，左髖關(guān)節(jié)控制器通過(guò)對(duì)比左大腿姿態(tài)儀傳感器采集到的信號(hào)和左髖關(guān)節(jié)編碼器將實(shí)時(shí)采集到的信號(hào)來(lái)對(duì)左大腿的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行矯正。
[0016]上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)根據(jù)右大腿姿態(tài)儀傳感器采集到的信號(hào)進(jìn)行分析處理得到控制信號(hào)，并將控制信號(hào)發(fā)送給右髖關(guān)節(jié)控制器來(lái)控制右大腿液壓工作單元工作，在工作過(guò)程中，右髖關(guān)節(jié)編碼器將實(shí)時(shí)采集到的右大腿運(yùn)動(dòng)信息發(fā)送給右髖關(guān)節(jié)控制器，右髖關(guān)節(jié)控制器通過(guò)對(duì)比右大腿姿態(tài)儀傳感器采集到的信號(hào)和右髖關(guān)節(jié)編碼器將實(shí)時(shí)采集到的信號(hào)來(lái)對(duì)右大腿的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行矯正。
[0017]上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)根據(jù)左小腿姿態(tài)儀傳感器采集到的信號(hào)進(jìn)行分析處理得到控制信號(hào)，并將控制信號(hào)發(fā)送給左膝關(guān)節(jié)控制器來(lái)控制左小腿液壓工作單元工作，在工作過(guò)程中，左膝關(guān)節(jié)編碼器將實(shí)時(shí)采集到的左小腿運(yùn)動(dòng)信息發(fā)送給左膝關(guān)節(jié)控制器，左膝關(guān)節(jié)控制器通過(guò)對(duì)比左小腿姿態(tài)儀傳感器采集到的信號(hào)和左膝關(guān)節(jié)編碼器實(shí)時(shí)采集到的信號(hào)來(lái)對(duì)左小腿的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行矯正。
[0018]上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)根據(jù)右小腿姿態(tài)儀傳感器采集到的信號(hào)進(jìn)行分析處理得到控制信號(hào)，并將控制信號(hào)發(fā)送給右膝關(guān)節(jié)控制器來(lái)控制右小腿液壓工作單元工作，在工作過(guò)程中，右膝關(guān)節(jié)編碼器將實(shí)時(shí)采集到的右小腿運(yùn)動(dòng)信息發(fā)送給右膝關(guān)節(jié)控制器，右膝關(guān)節(jié)控制器通過(guò)對(duì)比右小腿姿態(tài)儀傳感器采集到的信號(hào)和右膝關(guān)節(jié)編碼器實(shí)時(shí)采集到的信號(hào)來(lái)對(duì)右小腿的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行矯正。
[0019]本發(fā)明的有益效果是:(I)利用液壓驅(qū)動(dòng)來(lái)滿足大功率、高剛度的要求，液壓驅(qū)動(dòng)的輸出功率比較大，具有緩沖的作用，而且可以存儲(chǔ)一定的能量，所以液壓驅(qū)動(dòng)方式用在助力外骨骼上比電機(jī)驅(qū)動(dòng)更勝一籌，解決電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式輸出扭矩小、驅(qū)動(dòng)力有限的缺陷。
[0020](2)利用2.4G通信模塊取代常用的Zigbee通信模塊解決了其數(shù)據(jù)傳輸速率低、價(jià)格相對(duì)昂貴、協(xié)議復(fù)雜的冋題。
[0021](3)通過(guò)信息采集與控制模塊實(shí)時(shí)采集并分析人體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)意圖，從而驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)工作帶動(dòng)機(jī)械組件和人運(yùn)動(dòng)，使系統(tǒng)更加智能，使用更加方便。
[0022](4)控制電路模塊將編碼器模塊實(shí)時(shí)采集到的信息與姿態(tài)儀模塊采集到的信息進(jìn)行對(duì)比，對(duì)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行矯正，使運(yùn)動(dòng)控制更加精確，效果更好。
[0023](5)伺服放大器具有反饋接入端，以便構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，同時(shí)具有限流保護(hù)電路，系統(tǒng)安全性得到了提高。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1為本發(fā)明的原理結(jié)構(gòu)框圖；
圖2為伺服放大器的電路原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于以下所述。
[0026]如圖1所示，一種用于下肢外骨骼的分布式液壓控制系統(tǒng)，它包括姿態(tài)儀模塊、通信基站、上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)、控制電路模塊、液壓工作模塊和編碼模塊；所述的姿態(tài)儀模塊通過(guò)無(wú)線通信與通信基站連接；通信基站與上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)連接；通信基站還與控制電路模塊連接；所述的控制電路模塊分別與液壓工作模塊和編碼器模塊連接；
所述的控制電路模塊包括多個(gè)控制器單元，所述的控制器單元包括ARM微處理器和液壓驅(qū)動(dòng)電路，所述的ARM微處理器通過(guò)CAN總線與通信基站連接，通過(guò)串口通信電路與編碼器模塊連接，ARM微處理器的輸出端與液壓驅(qū)動(dòng)電路連接，所述的液壓驅(qū)動(dòng)電路與液壓工作模塊連接；
所述的液壓工作模塊包括多個(gè)液壓工作單元，所