一种可穿戴助残机器人控制系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及机器人领域，具体是一种可穿戴助残机器人控制系统。
【背景技术】
[0002]可穿戴助残机器人，是一种基于人身体形状和功能所设计的机电一体化系统，结合了人外形上的一些部位和关节，将人的智能与外部机械动力装置的机械能量结合在一起，可以给人提供额外的动力或能力。可以被看作是一种补充、提高或者代替人类功能的技术。对于中枢神经受损或肌肉萎缩的残疾人来说，这种可穿戴助残机器人可有效对残疾人提供复健或助力帮助。目前国内的研究主要停留在理论分析和仿真阶段，在动力电源上主要采用气缸或液压方式。中国专利CN201020604325.8《气压驱动式下肢行走康复训练机器人外骨骼机械结构》描述了一种气压驱动下的外骨骼机械，可基本实现助残功能，但是由于气缸本身的局限性，其控制方式精确度不够高，实时性得不到保障，安全性仍不够完善。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种可穿戴助残机器人控制系统，以解决上述【背景技术】中提出的问题。
[0004]为实现上述目的，本发明提供如下技术方案:
一种可穿戴助残机器人控制系统，包括主控制器、从控制器、驱动器、执行机构、动力电源、可视化操作界面、报警模块与断电保护模块，采用现场总线通讯方式、控制算法以及拟人步态设计；
所述主控制器，用于运行算法、调用步态、规划轨迹、读取反馈并控制各个模块的工作，通过现场总线通讯，具有人机交互接口 ；
所述从控制器为子网的控制器，起到网关的作用，基于TCP/IP协议接收主控制器指令并转发给各驱动器及模块；
所述驱动器用于执行控制指令，并控制执行机构作出相应动作；
所述执行机构为直流伺服电机为主的电缸；
所述动力电源为系统供电；
所述可视化操作界面，包括连接按钮、行走按钮、停止按钮、步态选择按钮，显示传感器反馈曲线和报警模块检测到的错误；
所述报警模块，包括蜂鸣器、指示灯，并在可视化操作界面显示各种参数设置错误，传感器检测错误以及实时电流输出过载情况等；
所述断电保护模块，包括手动急停按钮，当报警模块报警时，手动切断从控制器及执行机构的动力电源；
所述现场总线通讯方式采用EtherCAT总线构成从控制器与驱动器之间的通讯，用于传输指令及反馈参数；
所述控制算法，基于PID闭环反馈控制，实时调节执行机构的运动； 所述拟人步态设计，采用NDI光学定位跟踪系统获取人体行走时各关节运动曲线，利用MATLAB拟合出运动轨迹多项式，据此设计出机器人行走步态，并构成步态库。
[0005]作为本发明进一步的方案:采用全闭环反馈技术。
[0006]作为本发明进一步的方案:还包括电池电压变换模块，提供控制系统内12V、24V、48V等多种需求电压。
[0007]作为本发明进一步的方案:还包括接口检测保护模块；当任一接口松动时，将无法使能电机，并在可视化操作界面显示松动接口。
[0008]作为本发明进一步的方案:所述从控制器支持EtherCAT总线，采用RJ45接口。
[0009]作为本发明进一步的方案:所述步态库主要包括行走、站立、上楼、下楼和下蹲。
[0010]作为本发明进一步的方案:所述动力电源采用由220V交流电直接变换而来的直流电或磷酸铁锂电池。
[0011]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
1、控制系统采用磷酸铁锂电池作为动力电源，其循环寿命达到2000次以上，标准充电(5小时率)使用，可达到2000次。体积小容量大，同等规格容量的磷酸铁锂电池的体积是铅酸电池体积的2/3，重量是铅酸电池的1/3，但容量达到20AH，满电状态可以支持机器人载人行走两小时以上。
[0012]2、控制系统采用直流伺服电机为主体，结合同步带和丝杠将电机旋转运动转化为直线运动，拉动机器人关节转动，实现机器人行走运动。齿轮齿数比为1，丝杠导程为5_，编码器发出2000个脉冲指令，电机旋转一周，即丝杠运动精度可达25um。
[0013]3、控制系统的主从控制器采用EtherCAT现场总线通讯。EtherCAT在网络性能上优势明显，100个分布式I/O数据的刷新周期仅为3微秒。仅用300微秒传输时间便可通过一个以太网帧，可交换高达I486字节的过程数据，差不多相当于12000个数字量I/O。与100个伺服轴的通讯只需100微秒。在通讯过程中，主控制器可以向从控制器提供设置值和控制数据，并得到它们的实际状态信息反馈。利用EtherCAT技术的优异性能，通过总线也可以形成超高速控制回路。
[0014]4、本发明在软件控制方面基于PID控制算法，可根据传感器反馈的数据判断电机状态，实时调整，实现机器人行走。
[0015]5、本发明所构建的步态库基于NDI光学定位跟踪系统，完全基于人体实际行走步态拟合而来，机器人行走仿人程度高，行动流畅，与人体贴合度高。
【附图说明】
[0016]图1是可穿戴助残机器人控制系统结构图。
[0017]图2是可穿戴助残机器人控制流程图。
【具体实施方式】
[0018]下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
[0019]实施例1
本发明实施例中，参照图1和图2，可穿戴助残机器人控制系统包括主控制器模块，本发明采用的是研华工业控制计算机，基于Windows操作系统，用于运行算法、调用步态、规划轨迹、读取反馈并控制各个模块的工作，使用Qt开发环境编写程序，将程序运行结果完成编译后通过EtherCAT现场总线通讯给从控制器，并将相应信息显示在可视化操作界面上，具有人机交互接口 ；从控制器，为子网的控制器，本发明采用的是ELMO公司的GoldMaestro Network Mot1n Controller，起到网关的作用，基于 TCP/IP 协议，通过 RJ45 端口接收主控制器指令并转发给各驱动器及模块；驱动器同为ELMO公司的Gold Solo WhistleDigital Servo Drive，用于控制编码器；本发明采用的是增量式编码器，将角位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小，即电机旋转圈数；本发明采用maxon直流伺服电机，根据各关节所需力矩不同，选用相应型号，其连续推力计算如下:
膝关节电机额定电压24V，额定电流6A，额定转速6940rpm，额定转矩177mNm，丝杠导程5mm。连续推力:。
[0020]髋关节及踝关节额定电压24V，额定电流3.62A，额定转速7000rpm，额定转矩lOlmNm，丝杠导程5mm。连续推力:。
[0021]控制系统的主控制器、从控制器采用EtherCAT现场总线通讯。EtherCAT在网络性能上优势明显，100个分布式I/O数据的刷新周期仅为3微秒。仅用300微秒传输时间便可通过一个以太网帧，可交换高达I486字节的过程数据，差不多相当于12000个数字量1/0。与100个伺服轴的通讯只需100微秒。在通讯过程中，主控制器可以向从控制器提供设置值和控制数据，并得到它们的实际状态信息反馈。利用EtherCAT技术的优异性能，通过总线也可以形成超高速控制回路。
[0022]本发明动力电源设计为可切换方式，采取统一两相端口母头，制作两个公头，一个接外部由220V交流电直接变换而来的直流电，另一个接磷酸铁锂电池。在实验室进行空载实验时，可接外部电源，