外骨骼机器人的控制方法及控制系统与流程

本发明涉及外骨骼机器人技术领域，尤其涉及一种外骨骼机器人的控制方法及外骨骼机器人的控制系统。

背景技术：

外骨骼机器人是模仿人体的骨骼结构，利用骨骼的承重能力，设计出的机器人。由于外骨骼机器人是穿戴在人身上，因此必须保证外骨骼机器人和人体的运动保持高度协调，避免对人体造成伤害。

外骨骼机器人要实现优良的控制性能，首先要确保控制的实时性，不允许出现控制系统卡顿等现象的产生。当前应用广泛的操作系统如windows、linux等均非实时操作系统，不符合外骨骼机器人控制要求。

而如何提供一种可靠且实时高效的控制方法就成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于实时操作系统的外骨骼机器人控制系统及控制及方法，增强控制系统实时性，优化控制效果。

为实现上述目的，本发明提供一种外骨骼机器人控制方法，应用于外骨骼机器人控制系统中，所述方法包括：对外骨骼机器人的任务类型进行优先级排序；执行当前任务，并判断是否接收到优先级更高的任务；当接收到优先级更高的任务时，停止当前任务并执行优先级更高的任务。

在某些实施例中，所述外骨骼机器人控制方法还包括：当执行完优先级更高的任务时，返回执行原任务。

在某些实施例中，所述外骨骼机器人的任务类型包括：输入任务和输出任务；所述输入任务包括：脚底压力传感任务、姿态传感任务、人机交互传感任务，所述输出任务包括：电机控制任务、电磁阀控制任务。

在某些实施例中，所述姿态传感任务、人机交互传感任务、电机控制任务、电磁阀控制任务均设有挂起与恢复功能。

在某些实施例中，所述输入任务与外骨骼机器人控制系统的操作系统之间进行信息双向流通；所述输出任务由操作系统单向供给信息。

本发明还提供一种外骨骼机器人控制系统，所述外骨骼机器人的控制系统包括：

实时操作系统，用于作为所述外骨骼机器人控制系统的运行载体；

任务排序模块，用于对外骨骼机器人的任务类型进行优先级排序；

任务判断模块，用于在执行当前任务时，判断是否接收到优先级更高的任务；

任务执行模块，用于当接收到优先级更高的任务时，停止当前任务并执行优先级更高的任务。

在某些实施例中，所述任务执行模块还用于当执行完优先级更高的任务时，返回执行原任务。

在某些实施例中，所述实时操作系统包括：stm32实时操作系统。

在某些实施例中，所述外骨骼机器人的任务类型包括：输入任务和输出任务；所述输入任务包括：脚底压力传感任务、姿态传感任务、人机交互传感任务，所述输出任务包括：电机控制任务、电磁阀控制任务。

在某些实施例中，所述外骨骼机器人控制系统还包括：控制模块，用于根据任务状态，将所述姿态传感任务、人机交互传感任务、电机控制任务、电磁阀控制任务进行挂起或进行恢复。

综上所述，本发明所述的外骨骼机器人的控制方法及控制系统，与现有技术相比，具有以下优点：

本发明的外骨骼机器人的控制方法及控制系统，采用实时操作系统，从而提高了外骨骼机器人控制的实时性；

进一步地，本发明的方法，划分外骨骼机器人控制任务，设定任务优先级，优化机器人控制顺序，从而大大提高了控制效果；

另外，本发明的外骨骼机器人的控制方法和控制系统，对外骨骼机器人设置了任务的挂起与恢复功能，从而大大降低了机器人的功耗降。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图进行简单介绍，显而易见的，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的外骨骼机器人控制方法的一实现方式的流程示意图；

图2为本发明的外骨骼机器人控制方法的另一实现方式的流程示意图；

图3为本发明的外骨骼机器人控制方法的一具体实施例的流程示意图；

图4为本发明的外骨骼机器人控制系统的一实现方式的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”、“第二”、“第三”等关系术语(如果存在)仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例，例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”、“包含”、“具有”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。

在下述描述中，参考附图，附图描述了本发明的若干实施例。应当理解，还可使用其他实施例，并且可以在不背离本公开的精神和范围的情况下进行机械组成、结构、电气以及操作上的改变。下面的详细描述不应该被认为是限制性的，并且本发明的实施例的范围仅由公布的专利的权利要求书所限定。这里使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本发明.空间相关的术语，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“下面”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等，可在文中使用以便于说明图中所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。

正如前述所描述的，外骨骼机器人要实现优良的控制性能，首先要确保控制的实时性，不允许出现控制系统卡顿等现象的产生。当前应用广泛的操作系统如windows、linux等均非实时操作系统，不符合外骨骼机器人控制要求。因此，本发明的申请人选用uc/os-ii实时操作系统作为机器人控制系统的操作系统，运用其实时性与多任务调度特点，达到控制要求。

实时操作系统以高可靠的哈佛结构嵌入式芯片类型stm32作为运行载体，利用其丰富的外设资源，搭建硬件控制平台，并根据硬件平台划分控制任务，划分控制优先级，克服常规的顺序控制方式造成的弊端。

以下结合图1～图4，以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

图1示出了本发明的外骨骼机器人的控制方法，如图1所示，所述外骨骼机器人的控制方法，应用于外骨骼机器人控制系统中，所述方法可以包括：

步骤s10，对外骨骼机器人的任务类型进行优先级排序；

步骤s20，执行当前任务，

步骤s30，判断是否接收到优先级更高的任务；

当接收到优先级更高的任务时，执行步骤s40，停止当前任务并执行优先级更高的任务。

本实施例中，所述外骨骼机器人的任务类型包括：输入任务和输出任务；所述输入任务包括：脚底压力传感任务、姿态传感任务、人机交互传感任务，所述输出任务包括：电机控制任务、电磁阀控制任务。进一步地，所述输入任务与外骨骼机器人控制系统的操作系统之间进行信息双向流通；所述输出任务由操作系统单向供给信息。并且，所述姿态传感任务、人机交互传感任务、电机控制任务、电磁阀控制任务均设有挂起与恢复功能。

在具体应用中，所述外骨骼机器人以stm32作为实时操作系统的运行载体，运用操作系统的多任务调度能力与硬件平台，将外骨骼机器人控制内容划分为5个任务。其中包括3个输入任务：脚底压力传感任务、姿态传感任务、人机交互传感任务；2个输出任务：电机控制任务、电磁阀控制任务。其中，输入任务与操作系统之间信息双向流通，输出任务由操作系统单向供给信息。

每个任务根据外骨骼机器人的控制特点分配不同的优先级，并设定各自的任务触发条件，根据触发条件协同5个任务共同运行完成外骨骼机器人控制。在任务运行过程中，当遇到更高的优先级任务触发时，则停止当前任务去执行优先级更高的任务，执行完后返回继续执行原先任务。任务执行需满足触发条件，再按照优先级顺序逐个执行。

每个任务控制对应控制各自相关的执行模块。除脚底压力传感任务外的每个任务设有挂起与恢复功能选项，降低机器人功耗。

操作系统根据脚底压力传感任务反馈的压力信息选择其余任务的挂起与恢复功能：当左右脚均无压力时，认为外骨骼机器人处于非穿戴状态，挂起其余任务；反之，任务外骨骼机器人处于穿戴状态，恢复其余任务。

图2示出了本发明的外骨骼机器人控制方法的另一实现方式的流程示意图，如图2所示，与前述实施例不同的是，本实施例中，所述方法还可以包括：

步骤s50，判断是否执行完毕优先级更高的任务，

当优先级更高的任务执行完毕后，返回执行步骤s20，即返回执行原任务。

当优先级更高的任务执行还未完毕时，接着执行s60，即继续执行优先级更高的任务。

下面结合图1～图3对本发明的外骨骼机器人控制方法的具体工作原理做进一步详细说明，如图3所示，本发明的外骨骼机器人控制方法如下：

1)系统初始化；

2)所有任务顺序执行一次；

3)根据脚底压力传感任务反馈给实时操作系统的左右脚压力信息作出判断。若左右脚均无压力，则跳到步骤4)；反之，则跳到步骤5)；

4)挂起姿态传感任务、人机交互传感任务、电机控制任务、电磁阀控制任务，跳到步骤8)；

5)根据3个输入任务的反馈信息，由实时操作系统进行触发条件计算，并完成需触发任务的优先级排序；同时，若任务处于挂起状态，则由实时操作系统计算生成任务恢复目录，根据需恢复的任务目录结束任务的挂起状态；

6)按照触发任务情况与设定的任务优先级别，按优先级由高到低的顺序执行所触发的任务；若已有任务在执行中，则对新触发任务与当前执行的任务进行优先级比较，依然按优先级由高到低的顺序执行任务。特别的，当新触发任务优先级高于当前执行任务时，允许中断当前执行的任务，待完成更高优先级任务完成后返回继续执行当前任务；

7)任务触发后控制各自的执行模块工作。其中，输入任务的执行模块对其控制任务进行信息反馈，而输出任务的执行模块只负责任务执行，无信息反馈；

8)被触发的输入任务将反馈信息上传给实时操作系统，跳到步骤3)。

其中，5个任务中的脚底压力传感任务无挂起状态，由操作系统按某种控制方案进行触发。

本发明的外骨骼机器人控制方法，采用实时操作系统，始终保持外骨骼机器人控制的实时性；另外，划分外骨骼机器人控制任务，设定任务优先级，优化机器人控制顺序，达到更优的控制效果；最后，设置外骨骼机器人任务的挂起与恢复功能，使机器人功耗降到最低。

本发明还提供一种外骨骼机器人控制系统，如图4所示，所述外骨骼机器人控制系统可以包括：

实时操作系统10，用于作为所述外骨骼机器人控制系统的运行载体；

任务排序模块20，用于对外骨骼机器人的任务类型进行优先级排序；

任务判断模块30，用于在执行当前任务时，判断是否接收到优先级更高的任务；

任务执行模块40，用于当接收到优先级更高的任务时，停止当前任务并执行优先级更高的任务。

在本实施例中，所述任务执行模块40还用于当执行完优先级更高的任务时，返回执行原任务。

本实施例中，所述实时操作系统包括：stm32实时操作系统，所述外骨骼机器人的任务类型包括：输入任务和输出任务；所述输入任务包括：脚底压力传感任务、姿态传感任务、人机交互传感任务，所述输出任务包括：电机控制任务、电磁阀控制任务。

本实施例例中，所述外骨骼机器人控制系统还要以包括：控制模块(图中未示出)，用于根据任务状态，将所述姿态传感任务、人机交互传感任务、电机控制任务、电磁阀控制任务进行挂起或进行恢复。

具体地，本实施例的控制系统主要是以stm32为实时操作系统的运行载体，按照控制流程分为三个层级，分别是：控制决策级、控制任务级和控制执行级，分别对应系统控制结构示意图中的外骨骼机器人uc/os-ii实时操作系统、五个任务和各个任务对应的执行模块。

本发明的外骨骼机器人的操作系统采用uc/os-ii实时操作系统，基于外骨骼机器人的硬件平台和uc/os-ii操作系统的多任务调度功能，将机器人平台划分为5个任务，包括3个输入任务：脚底压力传感任务、姿态传感任务、人机交互传感任务；2个输出任务：电机控制任务、电磁阀控制任务。输入任务与操作系统之间信息双向流通，输出任务由操作系统单向供给信息。

每个任务控制各自相关的执行模块，其中输入任务与其相关执行模块信息双向流通，输出任务信息则是单向流入到其相关执行模块中，无信息返回。

除脚底压力传感任务外的每个任务设有挂起与恢复功能选项，该选项的挂起与恢复状态取决于脚底压力传感任务给予操作系统的反馈信息。任务挂起时，可以降低机器人运行功耗。

每个任务根据外骨骼机器人的控制特点分配不同的优先级，并设定各自的任务触发条件。在任务运行过程中，当遇到更高的优先级任务触发时，则停止当前任务去执行优先级更高的任务，执行完后返回继续执行原先任务。任务执行需满足触发条件，再按照优先级顺序逐个执行。

本发明的外骨骼机器人的控制系统的工作流程如图3所示，具体地：

1)系统初始化；

2)所有任务顺序执行一次；

3)根据脚底压力传感任务反馈给实时操作系统的左右脚压力信息作出判断。若左右脚均无压力，则跳到步骤4)；反之，则跳到步骤5)；

4)挂起姿态传感任务、人机交互传感任务、电机控制任务、电磁阀控制任务，跳到步骤8)；

5)根据3个输入任务的反馈信息，由实时操作系统进行触发条件计算，并完成需触发任务的优先级排序；同时，若任务处于挂起状态，则由实时操作系统计算生成任务恢复目录，根据需恢复的任务目录结束任务的挂起状态；

6)按照触发任务情况与设定的任务优先级别，按优先级由高到低的顺序执行所触发的任务；若已有任务在执行中，则对新触发任务与当前执行的任务进行优先级比较，依然按优先级由高到低的顺序执行任务。特别的，当新触发任务优先级高于当前执行任务时，允许中断当前执行的任务，待完成更高优先级任务完成后返回继续执行当前任务；

7)任务触发后控制各自的执行模块工作。其中，输入任务的执行模块对其控制任务进行信息反馈，而输出任务的执行模块只负责任务执行，无信息反馈；

8)被触发的输入任务将反馈信息上传给实时操作系统，跳到步骤3)。

其中，5个任务中的脚底压力传感任务无挂起状态，由操作系统按某种控制方案进行触发。

本发明所述的外骨骼机器人控制方法及控制系统，与现有技术相比，具有以下优点：本发明的外骨骼机器人的控制方法及控制系统，采用实时操作系统，从而提高了外骨骼机器人控制的实时性；进一步地，本发明的方法，划分外骨骼机器人控制任务，设定任务优先级，优化机器人控制顺序，从而大大提高了控制效果；另外，本发明的外骨骼机器人的控制方法和控制系统，对外骨骼机器人设置了任务的挂起与恢复功能，从而大大降低了机器人的功耗降。

本领域内的技术人员应明白，上述各实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。这些实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。上述各实施例涉及的方法中的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于计算机设备可读取的存储介质中，用于执行上述各实施例方法所述的全部或部分步骤。

如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“a、b或c”或者“a、b和/或c”意味着“以下任一个：a；b；c；a和b；a和c；b和c；a、b和c”。仅当元件、功能、步骤或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。

上述各实施例是参照根据实施例所述的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到计算机设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。