仿生腿控制系统的制作方法

本实用新型实施例涉及仿生腿控制领域，尤其涉及一种仿生腿控制系统。

背景技术：

仿生腿是一种帮助残疾人恢复生产能力，使残疾人自力更生的机械电子装置。现有的仿生腿基本都采用伺服电机及其伺服驱动器来实现动作控制，并对应配套开发有控制系统。然而，目前的控制系统一般需要采用相应配套型号的仿生腿进行开发，导致无法兼容其他型号的仿生腿；另外，控制系统采用整体式的设计方式，因此，整个系统相对封闭，无法另外添加各类功能性的拓展模块，导致仿生腿的控制方式较为单一，而且一旦系统发生故障，必须对系统所有回路进行调试，操作难度也高，仿生腿控制效果较差。

技术实现要素：

本实用新型实施例所要解决的技术问题在于，提供一种仿生腿控制系统，能有效提升系统的扩展性及操作性。

为了解决上述技术问题，本实用新型实施例提供以下技术方案：一种仿生腿控制系统，用于控制安装于人体的仿生腿，包括：

感应模块，安装于所述仿生腿和人体健康腿，用于检测所述仿生腿和人体健康腿的肢体运动数据，所述肢体运动数据包括：反映所述仿生腿的膝关节角度的第一数据、反映所述人体健康腿的膝关节角度的第二数据以及反映所述仿生腿与人体健康腿的足部各点压力的足部压力数据；

主控模块，所述主控模块的一端与所述感应模块连接、另一端与所述仿生腿内置的伺服电机的伺服驱动器连接，用于根据感应模块发来的所述肢体运动数据进行计算后输出控制信号给所述伺服驱动器以驱动伺服电机控制所述仿生腿的膝关节角度和刚度。

进一步的，所述感应模块包括：

检测单元，所述检测单元包括：

仿生腿感应器，安装所述仿生腿上，用于感应及获得为数字信号形式的所述第一数据；

健康腿感应器，安装于所述人体健康腿上，用于感应并生成为数字信号形式的所述第二数据；以及

压力感应器，分别安装于所述仿生腿和人体健康腿上，用于分别感应并生成所述仿生腿与人体健康腿的足部各点压力并输出为数字信号形式的足部压力数据。

进一步的，所述感应模块还包括：

具有多个接口的ARM芯片，所述ARM芯片与所述主控模块通信连接，还与所述仿生腿感应器、健康腿感应器和压力感应器中的至少一个的输出端相连以对应获得所述第一数据、第二数据及/或足部压力数据并发送给所述主控模块；以及

用于支持所述ARM芯片正常工作的ARM芯片外围电路。

进一步的，所述压力感应器包括：

模拟信号压力感应元件，分别安装于所述仿生腿和人体健康腿上，用于分别感应并生成所述仿生腿与人体健康腿的足部各点压力并输出足部压力模拟信号；

模数转换组件，用于将所述足部压力模拟信号转换为数字信号形式的足部压力数据。

进一步的，所述模数转换组件包括：

模数转换电路，所述模数转换电路的信号输入端对应连接至所述模拟信号压力感应元件的信号输出端，用于将足部压力模拟信号转化为足部压力数字信号后输出。

进一步的，所述模数转换组件还包括：

低频滤波电路，所述低频滤波电路的信号输入端和信号输出端分别对应连接至所述模拟信号压力感应元件的信号输出端和所述模数转换电路的信号输入端，用于滤除所述足部压力模拟信号中的干扰信号并抑制足部压力模拟信号的幅度后输出给所述模数转换电路。

进一步的，所述ARM芯片外围电路包括：

连接至所述ARM芯片的对应接口的复位电路，用于为ARM芯片提供复位信号；

连接至所述ARM芯片的对应接口的BOOT电路，用于改变ARM芯片的启动模式；

连接至所述ARM芯片的对应接口的稳压电路，用于为ARM芯片提供稳定的工作电压；

连接至所述ARM芯片的对应接口的基准电压电路，用于为ARM芯片提供外部基准电压；以及

连接至所述ARM芯片的对应接口的JTAG仿真下载电路，用于将调试代码下载至ARM芯片的Flash单元中以及监视ARM芯片内部数据变化。

进一步的，所述信号采集单元还包括：

晶振电路，所述晶振电路的信号输出端分别连接至所述ARM芯片与模数转换电路的对应接口，用于为所述ARM芯片和模数转换电路提供相应的时钟频率信号。

进一步的，所述控制系统还包括：

通信模块，所述通信模块的一端通过串口与所述主控模块连接另一端通过CAN总线与所述伺服驱动器连接，用于将所述主控模块输出的串行控制信号转化为差分控制信号再发送给所述伺服驱动器以及接收伺服驱动器反馈的差分应答信号并转化为串行应答信号再发送给所述主控模块。

进一步的，所述控制系统还包括用于分别给所述感应模块、主控模块和通信模块提供稳定的工作电压的电源模块，所述电源模块包括：

稳定电压源，用于提供稳定的外部输入电压；以及

变压电路，连接所述稳定电压源，用于获得外部输入电压并将外部输入电压调整至预定的工作电压后输出。

采用上述技术方案后，本实用新型实施例至少具有如下有益效果：本实用新型实施例提供的感应模块和主控模块的双模块的仿生腿控制系统，通过感应模块检测反映所述仿生腿的膝关节角度的第一数据、反映所述人体健康腿的膝关节角度的第二数据以及反映所述仿生腿与人体健康腿的足部各点压力的足部压力数据，而主控模块根据上述肢体数据信号控制伺服电机运动，实现对仿生腿的膝关节角度和刚度加以控制，具有很高的实时性，能对感应模块反馈的信息及时做出响应，保证仿生腿控制精度。同时由于模块化的设计，系统组成具有较强的灵活性，在满足模块间的数据与信号传输的要求的前提下，用户可根据自己的需求扩展新的模块与功能。而且不同模块可以同时进行开发，缩短生产周期，可以适配市场上各种型号的仿生腿。

附图说明

图1是本实用新型仿生腿控制系统一个可选实施例的原理方框图。

图2是本实用新型仿生腿控制系统一个可选实施例进一步的原理方框图。

图3是本实用新型仿生腿控制系统一个可选实施例的模拟信号压力感应元件的电路图。

图4是本实用新型仿生腿控制系统一个可选实施例的模数转换电路图。

图5是本实用新型仿生腿控制系统一个可选实施例的低频滤波电路图。

图6是本实用新型仿生腿控制系统一个可选实施例的复位电路图。

图7是本实用新型仿生腿控制系统一个可选实施例的BOOT电路图。

图8是本实用新型仿生腿控制系统一个可选实施例的稳压电路图。

图9是本实用新型仿生腿控制系统一个可选实施例的基准电压电路图。

图10是本实用新型仿生腿控制系统一个可选实施例的JTAG仿真下载电路图。

图11是本实用新型仿生腿控制系统一个可选实施例的ARM芯片及其外围电路的原理方框图。

图12是本实用新型仿生腿控制系统一个可选实施例的ARM芯片引脚图。

图13是本实用新型仿生腿控制系统一个可选实施例的晶振电路图。

图14是本实用新型仿生腿控制系统一个可选实施例的电源模块原理方框图。

图15是本实用新型仿生腿控制系统一个可选实施例的变压电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。应当理解，以下的示意性实施例及说明仅用来解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定，而且，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。

如图1所示，本实用新型实施例提供一种仿生腿控制系统，用于控制安装于人体的仿生腿，包括：

感应模块1，安装于所述仿生腿和人体健康腿，用于检测所述仿生腿和人体健康腿的肢体运动数据，所述肢体运动数据包括：反映所述仿生腿的膝关节角度的第一数据、反映所述人体健康腿的膝关节角度的第二数据以及反映所述仿生腿与人体健康腿的足部各点压力的足部压力数据；

主控模块3，所述主控模块1的一端与所述感应模块3连接、另一端与所述仿生腿内置的伺服电机的伺服驱动器5连接，用于根据感应模块1发来的所述肢体运动数据进行计算后输出控制信号给所述伺服驱动器5以驱动伺服电机控制所述仿生腿的膝关节角度和刚度。在具体实施时，所述主控模块可以直接采用基于LabVIEW的BIS工控机。

本实用新型实施例提供的感应模块1和主控模块3的双模块的仿生腿控制系统，通过感应模块1检测反映所述仿生腿的膝关节角度的第一数据、反映所述人体健康腿的膝关节角度的第二数据以及反映所述仿生腿与人体健康腿的足部各点压力的足部压力数据，而主控模块3根据上述肢体数据信号控制伺服电机运动，实现对仿生腿的膝关节角度和刚度加以控制，具有很高的实时性，能对感应模块1反馈的信息及时做出响应，保证仿生腿控制精度。同时由于模块化的设计，系统组成具有较强的灵活性，在满足模块间的数据与信号传输的要求的前提下，用户可根据自己的需求扩展新的模块与功能。同时由于模块化的设计，不同模块可以同时进行开发，缩短生产周期，可以适配市场上各种型号的仿生腿。

在本实用新型的一个实施例中，如图2所示，所述感应模块1包括检测单元10，所述检测单元10包括：

仿生腿感应器101，安装所述仿生腿上，用于感应及获得为数字信号形式的所述第一数据；

健康腿感应器103，安装于所述人体健康腿上，用于感应并生成为数字信号形式的所述第二数据；以及

压力感应器105，分别安装于所述仿生腿和人体健康腿上，用于分别感应并生成所述仿生腿与人体健康腿的足部各点压力并输出为数字信号形式的足部压力数据。

本实施例分别采用三个感应器检测第一数据、第二数据和足部压力数据，检测效率高，在具体实施时，仿生腿感应器101采用型号为LQ-ECM141803-ABID4K的编码器、健康腿感应器103采用型号为JY901九轴陀螺仪，直接输出数字信号形式的第一数据、第二数据。

在本实用新型的一个实施例中，如图2所示，所述感应模块1还包括：

具有多个接口的ARM芯片12，所述ARM芯片12与所述主控模块3通信连接，还与所述仿生腿感应器101、健康腿感应器103和压力感应器105中的至少一个的输出端相连以对应获得所述第一数据、第二数据及/或足部压力数据并发送给所述主控模块3；以及

用于支持所述ARM芯片12正常工作的ARM芯片外围电路14。

本实施例采用ARM芯片12和ARM芯片外围电路14对所述第一数据、第二数据及/或足部压力数据三者中的一个或多个进行采集和处理后发送给主控模块3，方便主控模块3进行运算，在具体实施时，仿生腿感应器101与压力感应器105的输出端与ARM芯片12对应接口相连，而健康腿感应器103、ARM芯片12分别通过串口与主控模块相连，ARM芯片12可以采用STM32F103系列芯片。

在本实用新型的一个实施例中，如图2所示，所述压力感应器105包括：

模拟信号压力感应元件1051，分别安装于所述仿生腿和人体健康腿上，用于分别感应并生成所述仿生腿与人体健康腿的足部各点压力并输出足部压力模拟信号；

模数转换组件1052，用于将所述足部压力模拟信号转换为数字信号形式的足部压力数据。

本实施例中，模拟信号压力感应元件1051可以采用薄膜压力传感器FlexiForce-A201及其外围电路组成，具体电路如图3所示；模数转换组件1052可以有效的将足部压力模拟信号转换为数字信号形式的足部压力数据，方便ARM芯片12进行处理。

在本实用新型的一个实施例中，如图2所示，所述模数转换组件1052包括：

模数转换电路1053，所述模数转换电路1053的信号输入端连接至所述模拟信号压力感应元件1051的信号输出端，用于将足部压力模拟信号转化为足部压力数字信号后输出。

在具体实施时，所述ARM芯片12具体采用STM32F103系列芯片已经内部集成了12位模数转换器，但是转换精度一般不高，影响信号的采集，因此，在本实施例，如图4所示，所述模数转换电路1053采用24位高精度的ADS1256模数转换芯片及其外围电路组成，将所述模拟信号压力感应元件1051发送的足部压力模拟信号转化为数字信号形式的足部压力数据，并且保证转换的精确度。

在本实用新型的一个实施例中，如图2所示，所述模数转换组件1052还包括：

低频滤波电路1054，所述低频滤波电路1054的信号输入端和信号输出端分别对应连接至所述模拟信号压力感应元件1051的信号输出端和所述模数转换电路1053的信号输入端，用于滤除所述足部压力模拟信号中的干扰信号并抑制足部压力模拟信号的幅度后输出给所述模数转换电路1053。具体电路如图5所示，本实施例在模拟信号压力感应元件1051的信号输出端设置有所述低频滤波电路1054，可以有效滤除足部压力模拟信号中的干扰信号，并限制足部压力模拟信号的幅度，保证转化效率，避免干扰。

如图3-5所示，在具体实施时，所述模拟信号压力感应元件1051共包括6组薄膜压力传感器FlexiForce-A201及其外围电路，每组的模拟信号输出端Vout对应连接所述低频滤波电路1054的IN1~IN6端口，并且IN1~IN6端口分别一一对应所述低频滤波电路1054的信号输入端。所述低频滤波电路1054同样共6组，每组包括一端分别对应连接所述IN1~IN6端口、另一端还连接有分别通过衰减电阻R13、R14、R19、R20、R24、R25、R28、R29接地的输入电阻R11、R12、R17、R18、R22、R23、R26、R27，所述输入电阻与衰减电阻之间节点还作为低频滤波电路1054的信号输出端分别连接至所述模数转换电路1053对应接口，所述衰减电阻的两端还并联有滤波电容C18、C19、C20、C21、C27、C28、C34、C35，输入电阻与衰减电阻组成衰减电路，对大于预定电压值的信号进行衰减，另外，输入电阻还与滤波电容组成RC滤波电路，滤除干扰信号。

在本实用新型的一个实施例中，所述ARM芯片外围电路14包括：

连接至所述ARM芯片12的对应接口的复位电路141，用于为ARM芯片141提供复位信号，如图6所示；

连接至所述ARM12芯片的对应接口的BOOT电路142，用于改变ARM芯片141的启动模式，如图7所示；

连接至所述ARM芯片12的对应接口的稳压电路143，用于为ARM芯片141提供稳定的工作电压，如图8所示；

连接至所述ARM芯片12的对应接口的基准电压电路144，用于为ARM芯片141提供外部基准电压，如图9所示；以及

连接至所述ARM芯片12的对应接口的JTAG仿真下载电路145，用于将调试代码下载至ARM芯片12的Flash单元中以及监视ARM芯片12内部数据变化，如图10所示。

本实施例中，如图11所示，ARM芯片12的接口至少包括：串口通信接口以及分别用于与复位电路141、BOOT电路142、稳压电路143 、基准电压电路144、JTAG仿真下载电路145相连接的对应接口，在如图12的ARM芯片引脚图中，ARM芯片型号为STM32F103C8T6。

在本实用新型的一个实施例中，如图2所示，所述感应模块1还包括：

晶振电路16，所述晶振电路16的信号输出端分别连接至所述ARM芯片12与模数转换电路1053的对应接口，用于为所述ARM芯片12和模数转换电路1053提供相应的时钟频率信号。在具体实施时，需要给所述ARM芯片12与模数转换电路1053提供时钟频率信号，而两者时钟频率信号还各不相同，如图13所示，因此采用不同的晶振电路16分别输出8MHz和7.68MHz的时钟频率分别提供给所述ARM芯片12与模数转换电路1053。

在本实用新型的一个实施例中，如图2所示，所述控制系统还包括：

通信模块7，所述通信模块7的一端通过串口与所述主控模块3连接另一端通过CAN总线与所述伺服驱动器5连接，用于将所述主控模块3输出的串行控制信号转化为差分控制信号再发送给所述伺服驱动器5以及在伺服驱动器5接收到所述差分控制信号后接收伺服驱动器5反馈的差分应答信号并转化为串行应答信号再发送给所述主控模块3。

本实施例中，由于伺服驱动器5是采用CAN总线来传输差分驱动信号，而主控模块3由串行输出端口输出的是串行信号，所以，需要将主控模块3输出控制信号由串行控制信号转化为差分控制信号，为此，控制系统中加入通信模块7来实现这一转化，并且，伺服驱动器5在接收到差分控制信号再返回差分应答信号给通信模块7，通信模块7处理后再发送给主控模块3，方便主控模块3进行人机交互（例如显示屏等），而在具体实施时，可以采用型号为STM32F407系列芯片及其外围电路来作为所述通信模块70，STM32F407芯片通过USART串口与所述主控模块的COM串口进行数据信号传输，而STM32F407芯片通过CAN端口与伺服驱动器5进行信号传输；可以理解的，能对串行信号和差分信号进行相互转换的电路还有很多，例如采用单端转差分驱动单路与差分转单端接收电路相互配合，同样可以实现上述通信模块70的功能。

在本实用新型的一个实施例中，所述控制系统还包括用于分别给所述感应模块1、主控模块3和通信模块7提供稳定的工作电压的电源模块9，所述电源模块9包括：

稳定电压源90，用于提供稳定的外部输入电压；以及

变压电路92，连接所述稳定电压源90，用于获得外部输入电压并将外部输入电压调整至预定的工作电压后输出。

本实施例中，本控制系统中各个模块或电路对工作电压有着不同要求，而稳定电压源90只能提供单一的外部电压（例如24V），因此，本实用新型实施例通过进一步配置变压电路92将稳定电压源的输入电压调整至各个工作电压（例如12V、6V或 3.3V等），从而实现整个控制系统的供电。具体实施时，所述变压电路92可以采用LM2596S芯片及其外围DC-DC非隔离降压BUCK电路构成，如图14-15所示。

上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护范围之内。