一种可扩展的外骨骼机器人控制系统的制作方法

1.本实用新型涉及外骨骼控制领域，特别涉及一种可扩展的外骨骼机器人控制系统。


背景技术：

2.随着机器人技术的不断发展及计算机、新材料、新能源和传感等技术的突破，为人体负重运动提供支撑、辅助和保护功能的穿戴式外骨骼机器人日益受到重视，成为国内外研究的热门领域。传统外骨骼机器人采用集总式控制结构，在单个设备箱内部集成驱动器、传感器、控制器、人机界面和电源系统，导致设备体积大、线束多，并且当设备设计完成后因功能变更需要扩展组件时，由于设备箱内电子板卡软硬件功能已经相对固定，重新集成设计和验证整套设备则需从头开始论证和设计整套系统，迭代周期长、费效比差；目前已有部分外骨骼机器人将驱动器和其他部件单独分离，但其传感器、控制器、电池组仍采用集总结构，上述问题仍然存在。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的在于提供一种可扩展的外骨骼机器人控制系统，实现了外骨骼机器人控制系统的模块设计，提高了整体的可扩展性。
4.为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种可扩展的外骨骼机器人控制系统，包括：电源机构；伺服装置，所述伺服装置用于控制外骨骼机器人运动，所述电源机构能够为所述伺服装置供电；传感机构，所述传感机构设于所述外骨骼机器人上，所述传感机构能够采集所述外骨骼机器人的运动状态信息；内置控制机构，所述内置控制机构设于所述外骨骼机器人内，所述内置控制机构与所述传感机构和所述伺服装置连接，所述内置控制机构能够根据所述传感机构采集到的信息控制所述伺服装置；外置调试控制机构，所述外置调试控制机构与所述传感机构和所述内置控制机构连接，所述外置调试控制机构能够接收所述传感机构采集到的信息，且所述外置调试控制机构能够控制所述内置控制机构。
5.进一步地，还包括连接电缆，所述连接电缆包括功率供电母线、传感器供电母线、传感器信号差分总线和执行器信号差分总线；其中，所述功率供电母线用于为所述伺服装置供电；所述传感器供电母线用于为所述传感机构供电，所述传感器信号差分总线用于在所述控制系统中交换所述传感机构采集到的信息，所述执行器信号差分总线用于在所述控制系统中交换所述伺服装置的工作信息。
6.进一步地，所述电源机构包括主电源和电能计量装置，所述主电源通过嵌入式电源电路为所述功率供电母线和所述传感器供电母线供电，所述电能计量装置能够测量所述主电源的能耗信息。
7.进一步地，还包括人机界面，所述人机界面与所述内置控制机构连接，通过所述人机界面能够控制所述内置控制机构。
8.进一步地，所述内置控制机构包括第一电源电路、第二数据处理器、人机界面通讯电路和第三总线通讯接口电路；所述第一电源电路与所述第二数据处理器、所述人机界面通讯电路、所述第三总线通讯接口电路、所述主电源、所述功率供电母线和传感器供电母线连接，所述第一电源电路能够将所述主电源的供电电压转换为所述功率供电母线和所述传感器供电母线所需要的电压，所述第一电源电路能够为所述第二数据处理器、所述人机界面通讯电路和所述第三总线通讯接口电路供电；所述第二数据处理器通过人机界面通讯电路与所述人机界面通讯，所述第二数据处理器通过所述第三总线通讯接口电路与所述传感机构通讯。
9.进一步地，所述伺服装置包含伺服驱动器、电机、编码器、第一总线通讯接口电路；所述伺服驱动器能够通过所述编码器获取所述电机的转子位置信息并驱动所述电机输出转矩，所述伺服驱动器能够通过所述第一总线通讯接口电路接收所述内置控制机构或所述外置调试控制机构的转矩指令，所述伺服驱动器将所述电机的转子位置信息、速度信息和电流信息至所述执行器信号差分总线。
10.进一步地，所述传感机构包括传感器件、第二电源电路、第一数据处理器和第二总线通讯接口电路；所述第二电源电路用于为所述传感器件供电，所述传感器件将电信号传输至所述第一数据处理器中，所述第一数据处理器能够将所述传感器件采集到的信号进行编码，并通过所述第二总线通讯接口电路发送至所述传感器信号差分总线中。
11.进一步地，所述外置调试控制机构包含第三电源电路、第三数据处理器、第四总线通讯接口电路；所述第三电源电路从外部供电获取电能，并为所述第三数据处理器供电，所述第三数据处理器能够通过所述第四总线通讯接口电路与所述传感器信号差分总线、所述执行器信号差分总线交换信息。
12.进一步地，所述传感器件为力矩传感器、力传感器、姿态传感器、加速度传感器、测距传感器、角度传感器和位移传感器之中的一种或多种。
13.进一步地，所述人机界面包括可视化屏幕和人机输入接口，所述可视化屏幕和所述人机输入接口均与所述第二数据处理器连接。
14.分析可知，本实用新型公开一种可扩展的外骨骼机器人控制系统，本实用新型采用总线控制和母线供电的方式，将驱动器、传感器、控制器、人机界面和电源系统分割为单个整件，规定电气接口和总线通讯协议后，将各个功能整件单独设计和验证，再集成至整机，增加功能时只需要向设备中添加新的整件，保证外骨骼机器人电子控制系统迭代设计过程保持高效高性价比。并且本系统包含内置控制机构和外置调试控制机构，正常运行时系统由内置控制机构控制；运行过程中可以通过在总线上广播特殊报文，关闭内置控制机构的功能，由外置的调试控制器接管外骨骼机器人系统的运动控制任务，从外部介入系统，在无需修改设备内部电子系统连接的情况下快速测试算法、检测、诊断和记录故障，即使在内置集成控制器陷入死机故障时，仍然能够完成包括运动控制在内的基础任务。
附图说明
15.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。其中：
16.图1本实用新型一实施例的结构示意图。
17.图2本实用新型实施例1的结构示意图。
18.图3本实用新型实施例2的结构示意图。
19.附图标记说明：1、电源机构；11、主电源；12、电能计量装置；2、伺服装置；21、伺服驱动器、22、电机、23、编码器、24、第一总线通讯接口电路；3、传感机构；31、传感器件、32、第二电源电路；33、第一数据处理器；34、第二总线通讯接口电路；4、内置控制机构；41、第一电源电路；42、第二数据处理器；43、人机界面通讯电路；44、第三总线通讯接口电路；5、外置调试控制机构；51、第三电源电路、52、第三数据处理器、53、第四总线通讯接口电路；61、功率供电母线；62、传感器供电母线；63、传感器信号差分总线；64、执行器信号差分总线；7、人机界面。
具体实施方式
20.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。各个示例通过本实用新型的解释的方式提供而非限制本实用新型。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本实用新型的范围或精神的情况下，可在本实用新型中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本实用新型包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
21.在本实用新型的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型而不是要求本实用新型必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。本实用新型中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；可以是有线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
22.所附附图中示出了本实用新型的一个或多个示例。详细描述使用了数字和字母标记来指代附图中的特征。附图和描述中的相似或类似标记的已经用于指代本实用新型的相似或类似的部分。如本文所用的那样，用语“第一”、“第二”、“第三”以及“第四”等可互换地使用，以将一个构件与另一个区分开，且不旨在表示单独构件的位置或重要性。
23.如图1所示，根据本实用新型的实施例，提供了一种可扩展的外骨骼机器人控制系统，包括：电源机构1；伺服装置2，伺服装置2用于控制外骨骼机器人运动，电源机构1能够为伺服装置2供电；传感机构3，传感机构3设于外骨骼机器人上，传感机构3能够采集外骨骼机器人的运动状态信息；内置控制机构4，内置控制机构4设于外骨骼机器人内，内置控制机构4与传感机构3和伺服装置2连接，内置控制机构4能够根据传感机构3采集到的信息控制伺服装置2；外置调试控制机构5，外置调试控制机构5与传感机构3和内置控制机构4连接，外置调试控制机构5能够接收传感机构3采集到的信息，且外置调试控制机构5能够控制内置控制机构4。
24.优选地，还包括连接电缆，连接电缆包括功率供电母线61、传感器供电母线62、传感器信号差分总线63和执行器信号差分总线64；其中，功率供电母线61用于为伺服装置2供电；传感器供电母线62用于为传感机构3供电，传感器信号差分总线63用于在控制系统中交
换传感机构3采集到的信息，执行器信号差分总线64用于在控制系统中交换伺服装置2的工作信息，实际设计时，连接电缆一般包含多条电缆，单条电缆所包含的线束组合可能如下类型：类型一包含61、64所有线束、类型二包含61、64两组线束、类型三包含62、63两组线束。
25.优选地，电源机构1包括主电源11和电能计量装置12，主电源11通过嵌入式电源电路为功率供电母线61和传感器供电母线62供电，电能计量装置12能够测量主电源11的能耗信息，电源机构1将该信息以点对点通讯的形式发送给内置控制机构4中的第二数据处理器42，再经由内置控制机构4的第三总线通讯接口电路44、人机界面通讯电路43发送至其他设备以供使用。
26.优选地，还包括人机界面，人机界面与内置控制机构4连接，通过人机界面能够控制内置控制机构4。
27.优选地，内置控制机构4包括第一电源电路41、第二数据处理器42、人机界面通讯电路43和第三总线通讯接口电路44；第一电源电路41与第二数据处理器42、人机界面通讯电路43、第三总线通讯接口电路44、主电源11、功率供电母线61和传感器供电母线62连接，第一电源电路41能够将主电源11的供电电压转换为功率供电母线61和传感器供电母线62所需要的电压，第一电源电路41能够为第二数据处理器42、人机界面通讯电路43和第三总线通讯接口电路44供电；第二数据处理器42通过人机界面通讯电路43与人机界面通讯，第二数据处理器42通过第三总线通讯接口电路44与传感机构3通讯，第二数据处理器42中运行整机的运动控制算法和服务代码，经人机界面通讯电路43以无线或有线通讯的方式与人机界面通讯，经第三总线通讯接口电路44与传感器信号差分总线63和执行器信号差分总线64通讯，根据用户配置、传感机构3信息计算伺服装置2出力，从而完成外骨骼机器人系统的助力功能。
28.优选地，伺服装置2包含伺服驱动器21、电机22、编码器23、第一总线通讯接口电路24；伺服驱动器21能够通过编码器23获取电机22的转子位置信息并驱动电机22输出转矩，伺服驱动器21能够通过第一总线通讯接口电路24接收内置控制机构4或外置调试控制机构5的转矩指令，伺服驱动器21将电机22的转子位置信息、速度信息和电流信息至执行器信号差分总线64，系统中的伺服装置2的数量可以多于1个。
29.优选地，传感机构3包括传感器件31、第二电源电路32、第一数据处理器33和第二总线通讯接口电路34；第二电源电路32用于为传感器件31供电，传感器件31将电信号传输至第一数据处理器33中，第一数据处理器33能够将传感器件31采集到的信号进行编码，并通过第二总线通讯接口电路34发送至传感器信号差分总线63中，传感器件31用于将其他形式的信号转变为第一数据处理器33可以识别的电信号，其他形式信号但不限于转矩、力、位置、角度、姿态、温度、肌电、肌音、振动、距离等信号；第一数据处理器33用于将采集到的信号进行编码，并由第二总线通讯接口电路34发送至传感器信号差分总线63，以供内置控制机构4和外置调试控制机构5使用，系统中的传感机构3的数量可以多于1个。
30.优选地，外置调试控制机构5包含第三电源电路51、第三数据处理器52、第四总线通讯接口电路53；第三电源电路51从外部供电获取电能，并为第三数据处理器52供电，第三数据处理器52能够通过第四总线通讯接口电路53与传感器信号差分总线63、执行器信号差分总线64交换信息，并且能通过发送特殊总线报文来关闭内置控制机构4的控制功能、接管整机的运动控制功能。经由上述方式，使用外置调试控制机构5可以在不修改设备内部电子
系统连接的情况下快速测试算法、检测、诊断和记录故障。
31.优选地，传感器件31为力矩传感器、力传感器、姿态传感器、加速度传感器、测距传感器、角度传感器和位移传感器之中的一种或多种。
32.优选地，人机界面包括可视化屏幕和人机输入接口，可视化屏幕和人机输入接口均与第二数据处理器42连接。
33.本实用新型采用差分总线传递信息，采用传感器供电母线62和功率供电母线61供电，分布式布置各个设备模块，包括连接电缆、伺服装置2、传感机构3、内置控制机构4、外置调试控制机构5、人机界面和电源机构1。
34.差分总线，是指使用差分传输方式传递信号，并采用总线通讯协议传输数据的物理和电气结构，传感器信号差分总线63和执行器信号差分总线64均属于这一范畴。
35.连接电缆，是用于在各个系统之间传输能量和传递信号的成束导线。具体来说包含功率供电母线61、传感器供电母线62、传感器信号差分总线63、执行器信号差分总线64。
36.伺服装置2，是根据差分总线上下发的指令数据，控制系统出力，并通过该总线回报伺服电机22的位置、转速、力矩到总线的电子设备。具体来说包含带有通讯接口的伺服驱动器21、电机22、编码器23。
37.传感器，是将力矩、力、空间姿态、加速度、距离、角度、位移等信息转换为数字信号、并能将其在差分总线上传输的一系列电子设备。具体来所包含力矩传感器、力传感器、姿态传感器、加速度传感器、测距传感器、角度传感器、位移传感器等类型。其部件包括传感器件31、电源电路、数据处理器件和通讯接口电路。
38.控制机构，是指根据预先编程设计好的外骨骼机器人助力控制逻辑，参考总线上收集到的电机22和传感器件31数据，计算得出电机22应当输出的力矩和参考位置，并将其通过广播发送至执行器信号差分总线64的电子设备，根据安装位置和功能分为内置控制机构4和外置调试控制机构5。
39.人机界面，是指有可视化屏幕和人机输入接口，以无线或有线的通讯介质，连接到内置控制机构4上，藉此直接和传感器信号差分总线63、执行器信号差分总线64上的所有设备交换数据的电子设备。
40.电源机构1，是指采用电池或外接电源形式为功率供电母线61和传感器供电母线62供电，并将电源信息广播至差分总线的电子设备。包括电池或台式电源和带有通讯接口的电能计量装置12。
41.将以上各个部件可以单独设计和验证，再根据实际控制需要选择合适部件集成至整机，即可形成特定的可扩展式外骨骼机器人电子系统，在实际使用时，增加功能时只需要向设备中添加新的整件，可以保证外骨骼机器人电子控制系统迭代设计过程保持高效高性价比。本实用新型包含内置控制机构4和外置调试控制机构5，正常运行时系统由内置控制机构4控制；运行过程中可以通过在执行器信号差分总线64上广播特殊报文，关闭内置控制机构4的控制功能，由外置调试控制机构5接管外骨骼机器人系统的运动控制，从外部介入系统，在无需修改设备内部电子系统连接的情况下快速测试算法、检测、诊断和记录故障，即使在内置控制机构4陷入死机故障时，仍然能够完成包括运动控制在内的基础功能。
42.如图2所示，本实用新型的实施例1为一款下肢助力外骨骼的控制系统硬件。其中，主电源11为锂电池包a1；伺服驱动器21为驱动器底板b3、驱动器底板b4；传感器件31具体实
施为力矩和姿态变送器板b5、力矩和姿态变送器板b6、力矩和姿态变送器板b7、力矩和姿态变送器板b8、足底压力变送器板b9、足底压力变送器板b10及其附属的探头，共计2种类型6台；内置控制机构4具体为主控制器器板b1、主控制器器板b2；外置调试控制机构5为调制控制器b11；连接电缆包含w1、w2、w3、w4四根，其中w1、w2为一类型电缆，w3、w4为二类型电缆。该实施例中的外骨骼机器人通过传感器获取姿态、人机交互转矩、足底压力等信息，经由传感器信号差分总线63通讯发送至内置控制机构4，再根据主控制器器板b1中的控制算法计算后，经由执行器信号差分总线64控制驱动器底板b3、驱动器底板b4中的4台电机22输出转矩，控制整机提供助力，辅助支撑人体行走。
43.如图3所示，本实用新型的实施例2为一款上肢助力外骨骼的控制系统。其中，主电源11为锂电池包a1；伺服驱动器21具体实施为驱动器底板b3、驱动器底板b4；传感器件31具体实施为力矩和姿态变送器板b5、力矩和姿态变送器板b6、力矩和姿态变送器板b7、力矩和姿态变送器板b8，共计2种类型4台；置控制机构具体为主控制器器板b1、主控制器器板b2；外置调试控制机构5为调制控制器b11；连接电缆包含w1、w2、w3、w4四根，其中w1、w2为一类型电缆，w3、w4为二类型电缆。该实施例中的外骨骼机器人通过传感器获取姿态、三维人机交互力等信息，经由执行器信号差分总线64控制驱动器底板b3、驱动器底板b4中的4台电机22输出转矩，控制整机提供助力，辅助人体搬运和托举货物。
44.本实用新型的实施例1、实施例2可以通过共用电源机构1和控制系统a2，直接重新组合形成新的全身助力外骨骼，或是根据设计要求更改伺服装置22、传感机构33的类型或数量，经简单连接即可，在实际使用过程中本实用新型不限于用传感器信号差分总线63和执行器信号差分总线64传输数据，也可以在内置控制机构4和传感机构3之间采用多条通讯电缆点对点传输数据。连接电缆的线缆组合不限于于上述一类型电缆、二类型电缆、三类型电缆三种组合形式，也可由多个电平和多个总线通道组成。连接电缆的通讯总线的传输载体不限于差分信号，也可使用单端信号的单线总线。
45.从以上的描述中，可以看出，本实用新型上述的实施例实现了如下技术效果：本实用新型采用总线控制和母线供电的方式，将驱动器、传感器、控制器、人机界面和电源系统分割为单个整件，规定电气接口和总线通讯协议后，将各个功能整件单独设计和验证，再集成至整机，增加功能时只需要向设备中添加新的整件，保证外骨骼机器人电子控制系统迭代设计过程保持高效高性价比。并且本系统包含内置控制机构4和外置调试控制机构5，正常运行时系统由内置控制机构4控制；运行过程中可以通过在总线上广播特殊报文，关闭内置控制机构4的功能，由外置的调试控制器接管外骨骼机器人系统的运动控制任务，从外部介入系统，在无需修改设备内部电子系统连接的情况下快速测试算法、检测、诊断和记录故障，即使在内置集成控制器陷入死机故障时，仍然能够完成包括运动控制在内的基础任务。
46.以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。