一種用于下肢外骨骼的分布式液壓控制系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于下肢外骨骼的分布式液壓控制系統。
【背景技術】
[0002]助力外骨骼機器人是一種可穿戴式隨動系統，它工作時必須與人體運動相配合；對于助力外骨骼機器人的運動控制，需要姿態儀采集穿戴者的運動意圖及趨勢，然后對助力外骨骼進行控制，使其跟隨穿戴者的運動進行有效助力；軍事應用中，外骨骼能提高士兵的承載能力，加快行軍速度，使士兵能夠負重長途跋涉于車輛無法通過的地方；在民用方面它也具有廣闊的應用前景:抗險救災、消防、建筑施工、家具搬運等。
[0003]在本領域中，公開的技術有專利公開號為CN 103622792 A的，名為“外骨骼助力機器人的信息采集與控制系統”的發明專利，該系統上共安裝四類傳感器，包括加速度、壓力傳感器、旋轉編碼器和陀螺儀，將壓力傳感器安裝在腳掌主要受力點，將加速度傳感器安裝在大小腿中間、髖關節進行加速度測量。將陀螺儀安裝在腰后中間測量重心，另外采集旋轉編碼器數據進行校準。根據傳感器分布用獨立單片機進行數據采集，并采用zigbee無線數據傳輸。
[0004]但是該裝置也存在以下不足之處:(1)電機驅動方式確實在控制上容易實現，但其最大的缺點是輸出扭矩小，驅動力有限；而液壓驅動的輸出功率比較大，具有緩沖的作用，而且可以存儲一定的能量，所以液壓驅動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，實際中一般也就20-30kbps的傳輸速率，速率低、價格相對昂貴、協議也比較復雜。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供了一種用于下肢外骨骼的分布式液壓控制系統，利用液壓驅動來滿足大功率、高剛度的要求，液壓驅動的輸出功率比較大，具有緩沖的作用，而且可以存儲一定的能量，所以液壓驅動方式用在助力外骨骼上比電機驅動更勝一籌，解決電機驅動方式輸出扭矩小、驅動力有限的不足的問題，并利用2.4G通信模塊取代常用的Zigbee通信模塊，解決了其數據傳輸速率低、價格相對昂貴、協議復雜的問題；通過信息采集與控制模塊實時采集并分析人體的運動狀態和運動意圖，從而驅動液壓系統工作帶動機械組件和人運動，使系統更加智能，使用更加方便。
[0006]本發明的目的是通過以下技術方案來實現的:一種用于下肢外骨骼的分布式液壓控制系統，它包括姿態儀模塊、通信基站、上位機監控平臺、控制電路模塊、液壓工作模塊和編碼模塊；所述的姿態儀模塊通過無線通信與通信基站連接；通信基站與上位機監控平臺連接；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控制器單元，所述的控制器單元包括ARM微處理器和液壓驅動電路，所述的ARM微處理器通過CAN總線與通信基站連接，通過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動電路連接，所述的液壓驅動電路與液壓工作模塊連接；
所述的液壓工作模塊包括多個液壓工作單元，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；
所述的上位機監控平臺用于顯示姿態儀模塊采集到的信息，并根據姿態儀模塊采集到的信息分析處理得到控制信號，并將控制信號發送給控制電路模塊，由控制電路模塊控制液壓工作模塊進行工作；
所述的編碼器模塊用于采集大小腿的實時運動信息，并將采集到的實時運動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儀模塊采集到的信息進行對比，對運動姿態進行矯正。
[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電路，所述的差分比例放大電路的輸入端與液壓驅動電路連接，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輸入端連接；所述的限流保護電路與差分比例放大電路連接。
[0008]所述的姿態儀模塊包括多個姿態儀傳感器，所述的姿態儀傳感器分別為:左大腿姿態儀傳感器、左小腿姿態儀傳感器、右大腿姿態儀傳感器，右小腿姿態儀傳感器和背部姿態儀傳感器。
[0009]所述的多個控制器單元分別為左髖關節控制器、左膝關節控制器、右髖關節控制器和右膝關節控制器。
[0010]所述的多個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節編碼器、左膝關節編碼器、右髖關節編碼器和右膝關節編碼器。
[0012]所述的姿態儀模塊和通信基站均包括2.4G無線通信模塊，姿態儀模塊和通信基站之間通過2.4G無線通信傳輸數據。
[0013]所述的通信基站通過CAN總線轉USB接口與上位機監控平臺連接，通過CAN總線與控制電路模塊連接。
[0014]所述的姿態儀傳感器包括三軸陀螺儀、加速度計MPU6500和電子羅盤HMC5983。
[0015]所述的姿態儀模塊、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備是成分布式對應的:
上位機監控平臺根據左大腿姿態儀傳感器采集到的信號進行分析處理得到控制信號，并將控制信號發送給左髖關節控制器來控制左大腿液壓工作單元工作，在工作過程中，左髖關節編碼器將實時采集到的左大腿運動信息發送給左髖關節控制器，左髖關節控制器通過對比左大腿姿態儀傳感器采集到的信號和左髖關節編碼器將實時采集到的信號來對左大腿的運動姿態進行矯正。
[0016]上位機監控平臺根據右大腿姿態儀傳感器采集到的信號進行分析處理得到控制信號，并將控制信號發送給右髖關節控制器來控制右大腿液壓工作單元工作，在工作過程中，右髖關節編碼器將實時采集到的右大腿運動信息發送給右髖關節控制器，右髖關節控制器通過對比右大腿姿態儀傳感器采集到的信號和右髖關節編碼器將實時采集到的信號來對右大腿的運動姿態進行矯正。
[0017]上位機監控平臺根據左小腿姿態儀傳感器采集到的信號進行分析處理得到控制信號，并將控制信號發送給左膝關節控制器來控制左小腿液壓工作單元工作，在工作過程中，左膝關節編碼器將實時采集到的左小腿運動信息發送給左膝關節控制器，左膝關節控制器通過對比左小腿姿態儀傳感器采集到的信號和左膝關節編碼器實時采集到的信號來對左小腿的運動姿態進行矯正。
[0018]上位機監控平臺根據右小腿姿態儀傳感器采集到的信號進行分析處理得到控制信號，并將控制信號發送給右膝關節控制器來控制右小腿液壓工作單元工作，在工作過程中，右膝關節編碼器將實時采集到的右小腿運動信息發送給右膝關節控制器，右膝關節控制器通過對比右小腿姿態儀傳感器采集到的信號和右膝關節編碼器實時采集到的信號來對右小腿的運動姿態進行矯正。
[0019]本發明的有益效果是:(I)利用液壓驅動來滿足大功率、高剛度的要求，液壓驅動的輸出功率比較大，具有緩沖的作用，而且可以存儲一定的能量，所以液壓驅動方式用在助力外骨骼上比電機驅動更勝一籌，解決電機驅動方式輸出扭矩小、驅動力有限的缺陷。
[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據傳輸速率低、價格相對昂貴、協議復雜的冋題。
[0021](3)通過信息采集與控制模塊實時采集并分析人體的運動狀態和運動意圖，從而驅動液壓系統工作帶動機械組件和人運動，使系統更加智能，使用更加方便。
[0022](4)控制電路模塊將編碼器模塊實時采集到的信息與姿態儀模塊采集到的信息進行對比，對運動姿態進行矯正，使運動控制更加精確，效果更好。
[0023](5)伺服放大器具有反饋接入端，以便構成閉環控制系統，同時具有限流保護電路，系統安全性得到了提高。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發明的原理結構框圖；
圖2為伺服放大器的電路原理示意圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖進一步詳細描述本發明的技術方案，但本發明的保護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，它包括姿態儀模塊、通信基站、上位機監控平臺、控制電路模塊、液壓工作模塊和編碼模塊；所述的姿態儀模塊通過無線通信與通信基站連接；通信基站與上位機監控平臺連接；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控制器單元，所述的控制器單元包括ARM微處理器和液壓驅動電路，所述的ARM微處理器通過CAN總線與通信基站連接，通過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動電路連接，所述的液壓驅動電路與液壓工作模塊連接；
所述的液壓工作模塊包括多個液壓工作單元，所