一种外骨骼机器人平台通信协议及在线仿真控制系统的制作方法

本发明涉及机器人仿真
技术领域：
，具体涉及一种外骨骼机器人平台通信协议及在线仿真控制系统。
背景技术：
：外骨骼机器人技术是融合传感、控制、信息、融合、移动计算，为作为操作者的人提供一种可穿戴的机械机构的综合技术。在技术应用上，外骨骼机器人可分为用于康复训练的康复外骨骼机器人，用于行走辅助的辅助型外骨骼机器人和用于助力增强的增强外骨骼机器人。外骨骼机器人作为一种人机耦合性较强的穿戴式智能装备，其人因工程设计不仅仅体现在贴合舒适的穿戴感，其内置的人体运动意图识别系统、运动控制算法、外部控制终端等人机交互方案也是外骨骼机器人的重要组成部分。外骨骼机器人的人机交互方案主要用于控制者向外骨骼机器人系统传递控制信息，常规人机交互方案可分为被动感知型交互、主动控制型交互两种类型。被动感知型交互方案包括单不限于基于内置力学传感、位置传感器的人体运动意图识别系统，基于外置脑电、肌电信号的人体运动意图检测系统等，该类交互方案智能化程度较高，但相对的，其算法运行算力要求较高，对处理器提出较高的要求；主动控制型交互方案包括但不限于基于机载按键，触摸显示屏控制器，电脑，智能手机，及智能手表、ar眼镜等可穿戴式设备的显性的控制信息录入形式，该类交互方案系统稳定性较高，且实现难度相对较低，可依赖于外部设备完成开发。在实际系统设计及应用中，上述两种方案一般混合搭配使用，其具体控制终端也是复合的，多样的。完整的单一动力外骨骼机器人系统至少包含三大组件：机械结构及运动执行器、主控及存储单元、传感等输入设备。在机器人控制方案内，主控基于采集到的输入设备的信息执行存储单元内的相应算法程序，机械结构及运动执行器作为被控对象执行相应的动作。通过分布式智能控制系统、云计算及5g等低延时通信技术，传统的外骨骼机器人内的控制系统内的复杂算法可迁移至其他平台，将外骨骼机器人系统简化为单一执行单元，由此实现外骨骼集群使用下的集中管理和分散控制。外骨骼机器人作为人机耦合的典型应用案例，多种人机交互形式、交互终端的组合应用十分广泛，但由于人机交互终端运行平台、连接方式及控制权限的差异性，对外骨骼机器人本身及人机交互终端的适配性提出了较高的要求。对于外骨骼机器人本体而言，首先，需要配备相应的硬件连接方案(有线rs232/485、can、网线，无线蓝牙、wifi等)，同时还需要根据不同的外部终端需求定制不同的使用接口协议。因此，外骨骼机器人本体的接口协议种类、复杂度会随着平台连接终端的增加而增加。其次，对于外部终端而言，从用途上可分为三类：数据平台监控显示类、功能操作类、调试控制类；数据平台监控显示类终端，一般需要从外骨骼机器人本体获取其正常的电量、姿态角度、运行状态类的信息，显示保存或处理成图表形式用作监控或数据分析用；功能操作类终端，一般指外接控制器，需要向外骨骼机器人传递相关的控制信息，如开关机、切换工作模式、助力等级调节等参数；调试控制类终端，一般会全接管外骨骼机器人，需在线实时获取外骨骼机器人本体运动传感信息，并在远程终端进行分析处理返回给外骨骼机器人控制信息，控制其运动。以上三类终端从所运行的平台的类型到其与外骨骼机器人传递的参数类型、数量、参数的实时性要求、终端的控制权限等级都存在差异，单独开发会导致整体系统复杂度较大，程序代码冗余，兼容性也较差。另外，外骨骼机器人技术属于前沿技术，涉及传感、控制、信息、移动计算等诸多方向，除其机器人本体设计外，相关控制、信息、计算等研究仍存在较多研究点，然而由于本体重量体积、能耗、设计等问题，一般处理器性能较为薄弱，所运行的平台也不尽相同，较多研究测试难以在线运行。技术实现要素：本发明目的在于提供一种外骨骼机器人平台通信协议及在线仿真控制系统，可兼容外骨骼机器人的多种多类型外部终端，同时提出一种基于该协议的在线仿真控制系统，可跨平台进行外骨骼在线仿真运算及控制，解决现有技术外骨骼机器人接口协议繁杂、兼容性差、难以跨平台进行外骨骼在线仿真运算及控制的技术问题。为达成上述目的，本发明提出如下技术方案：一种外骨骼机器人平台通信协议，其数据帧包括帧头、帧长度、功能码、操作码、节点码、数据段和校验段；所述帧头为双字节值，用于表示数据帧的开始；所述帧长度为单字节值，用于表示数据帧的长度；所述操作码为单字节值，操作码基于c/s架构，用于区分客户端信号和服务端信号；所述操作码用于表示数据帧的操作功能，包括参数写入指令、参数读取指令、底层功能调用指令、封装功能调用指令、参数写入返回指令、参数读取返回指令、底层功能调用返回指令和封装功能返回指令；所述功能码为单字节值，所述功能码的表征范围为0-255，用于表示指令的功能id；所述节点码为单字节值，所述节点码的表征范围为0-255，用于表示外骨骼机器人内部的硬件节点id；所述功能码及节点码组合实现外骨骼机器人系统的功能；所述数据段的长度不低于四字节，用于存放数据帧传输的数据；所述校验段为双字节长度，用于表示数据帧的数据校验结果。进一步的，所述外骨骼机器人平台通信协议包括底层控制指令和用户功能指令；所述底层控制指令包含关节电机数据读写和机身传感器信息读写，所述底层控制指令用于外部终端直接获取外骨骼机器人本体的实时信息并写入相关的控制指令，进行远程数据监控或仿真应用；所述用户功能指令包括控制模式读写和用户配置读写，所述用户功能指令用于外部终端操作外骨骼机器人本体内封装功能，所述封装功能包括切换外骨骼机器人工作模式、起蹲、抬落腿和切换上下楼梯。进一步的，所述外骨骼机器人工作模式包括两种，服务器工作模式和客户端工作模式；所述服务器工作模式为：外骨骼机器人本体在外骨骼机器人平台通信协议下以其自身的中控单元作为控制端，连接于外骨骼机器人的外部终端作为外骨骼机器人的系统模块，外骨骼机器人基于其内部功能模块进行运动；所述客户端工作模式为：外骨骼机器人本体在外骨骼机器人平台通信协议下作为外骨骼机器人系统内的一执行模块，外骨骼机器人自身的中控单元作为信息中继；所述外骨骼机器人本体根据其接收的外部终端发来的控制信号运动。进一步的，所述功能码表示的功能包括髋/膝/踝关节角度、髋/膝/踝关节角速度、髋/膝/踝关节加速度、髋/膝关节电流斜率、髋/膝关节操作模式、髋/膝关节目标力矩、髋/膝关节目标位置、髋/膝关节脉冲计数、髋/膝关节位置模式下最大速度。进一步的，所述节点码表示的硬件节点包括左小腿节点、左大腿节点、右小腿节点、右大腿节点和背部节点。进一步的，所述外骨骼机器人平台通信协议支持的传输通信方式包括但不限于有线rs232/485、can、网线、无线wifi、蓝牙；所述外骨骼机器人平台通信协议使得所述连接于外骨骼机器人本体的外部终端搭载的硬件通信模块包括但不限于平台windows、android；所述外骨骼机器人平台通信协议使得所述外骨骼机器人本体在can总线协议、wlan或wifi条件下，同时连接一个或多个类型外部终端，所述外部终端包括但不限于hmi手持终端、手机、电脑、监控显示设备。本发明还提出一种外骨骼机器人在线仿真控制系统，所述在线仿真控制系统包括外骨骼机器人3d模型、数据监控及存储导出单元、通信单元、外骨骼机器人物理模型、外骨骼机器人运动学模型和外骨骼机器人动力学模型，所述通信单元用于连接若干外骨骼机器人本体；所述在线仿真控制系统基于上述的外骨骼机器人平台通信协议获取外骨骼机器人本体的实时传感信息，并根据获取的实时传感信息实时更新驱动外骨骼机器人3d模型运动至相对位置，实时同步外骨骼机器人本体姿态至所述在线仿真控制系统的软件显示页面；所述实时传感信息包括关节角度信息、角速度信息、角加速度信息、躯干俯仰角信息；所述数据监控及存储导出单元设置有监控控件和存储控件，所述监控控件用于根据在线仿真控制系统片选接收的外骨骼机器人数据，以数据曲线形式实时显示；所述存储控件用于开启在线仿真控制系统的数据存储开关，以将在线仿真控制系统接收到的数据按指定形式存储至本地的数据库，或将被筛选数据导出使用；所述外骨骼机器人物理模型用于在线仿真控制系统根据外骨骼机器人本体进行微调仿真和自定义修改，所述自定义修改的内容包括肢体长度、质量、重心位置、关节角度范围；所述外骨骼机器人运动学模型和所述外骨骼机器人动力学模型用于根据所述在线仿真控制系统获取的外骨骼机器人本体数据计算外骨骼机器人本体控制指定位置或力矩输出信息，并且所述外骨骼机器人运动学模型和所述外骨骼机器人动力学模型用于支持使用在线或离线导入存储的数据。进一步的，所述在线仿真控制系统还包括在线控制单元，所述在线控制单元用于获取外骨骼机器人本体控制权限，进行外骨骼机器人本体在线控制；所述在线控制单元控制外骨骼机器人本体上关节伺服电机的运行模式，输出外骨骼机器人本体的不同场景；所述关节伺服电机的运行模式包括角度模式、角速度模式及力矩输出模式。进一步的，所述通信单元为rs232/485、can、wlan、蓝牙或wifi。进一步的，所述在线仿真控制系统为半开源系统。由以上技术方案可知，本发明的技术方案提供的外骨骼机器人平台通信协议及在线仿真控制系统，获得了如下有益效果：本发明公开的外骨骼机器人平台通信协议及在线仿真控制系统，相较于现有技术，提出一种更完善的、集成度更高的、跨平台的、专用于外骨骼机器人的通信协议；其中，通信协议的数据帧包括帧头、帧长度、功能码、操作码、节点码、数据段和校验段；通信协议包括底层控制指令和用户功能指令，底层控制指令实现外部终端对外骨骼机器人本体的远程数据监控或仿真应用，用户功能指令实现外骨骼机器人本体内部封装功能的操作，以及使得外骨骼机器人本体在服务器工作模式和客户端工作模式间切换；并且，本发明的通信协议支持通过有线rs232/485、can、网线或无线wifi、蓝牙等形式的通信方式进行传输，连接终端只要具备相关硬件通信模块即可实现与外骨骼终端的连接；即基于该通信协议，外骨骼机器人相关的外部终端都可以连接至机器人本体，并通过该协议完成机器人控制操作，不限于外部终端本身搭载的平台windows，android，也不限于外部终端类型，并进行数据共享。本发明公开的基于上述通信协议的在线仿真控制系统，专用于外骨骼机器人的仿真控制，兼容多种连接方案，集数据监控、数据采集与导出、内置运动学/动力学模型等各种有效工具集于一身，在外骨骼机器人相关研发或者研究可发挥重要作用。另外，本发明在线仿真控制系统采用半开源设计，可进行二次开发，用于外骨骼机器人相关系统的系统验证或算法验证，提供后期设计指导，简化系统开发流程，加快系统迭代速度。应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。附图说明附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：图1为外骨骼机器人平台通信图。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的附图,对本发明实施例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的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例,本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。除非另作定义,此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性,而只是用来区分不同的组成部分。同样,除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一个”“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制,而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件,并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。“上”“下”“左”“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后,则该相对位置关系也可能相应地改变。基于现有技术外骨骼机器人本体在配备不同硬件连接方案时需要根据不同的外部终端需求定制不同的使用接口协议，导致接口协议繁杂；并且外骨骼机器人本体根据其外接的终端类型的不同，需要对外骨骼机器人调控的参数不同，导致外骨骼机器人系统复杂度较大，兼容性较差，较难进行在线运行测试；本发明旨在提出一种外骨骼机器人平台通信协议及在线仿真控制系统，其通信协议兼容外骨骼机器人相关的外部终端均可连接至外骨骼机器人本体，并通过该协议完成机器人控制操作，而不限于外部终端类型；其基于该协议的、半开源涉及的在线仿真控制系统，可跨平台进行外骨骼在线仿真运算及控制，兼容多种连接方案，集数据监控、数据采集与导出、内置运动学/动力学模型等各种有效工具集于一身，在外骨骼机器人相关研发或者研究中发挥重要作用。下面结合具体实施例，对本发明的外骨骼机器人平台通信协议及在线仿真控制系统作进一步具体介绍。本发明外骨骼机器人平台通信协议旨在打通外骨骼机器人本体与其各种类型外部终端的通信壁垒，用于实现外骨骼机器人平台下的外骨骼机器人本体与外部终端的通讯。具体为，外骨骼机器人平台通信协议的数据帧包括帧头、帧长度、功能码、操作码、节点码、数据段和校验段。其中，帧头为双字节值，用于表示数据帧的开始；帧长度为单字节值，用于表示数据帧的长度；数据段的长度不低于四字节，用于存放数据帧传输的数据；校验段为双字节长度，用于表示数据帧的数据校验结果；操作码为单字节值，操作码基于c/s架构，用于区分客户端信号和服务端信号；操作码用于表示数据帧的操作功能，包括参数写入指令、参数读取指令、底层功能调用指令、封装功能调用指令、参数写入返回指令、参数读取返回指令、底层功能调用返回指令和封装功能返回指令；功能码为单字节值，功能码的表征范围为0-255，用于表示指令的功能id；节点码为单字节值，节点码的表征范围为0-255，用于表示外骨骼机器人内部的硬件节点id；功能码及节点码组合能灵活表征实现外骨骼机器人系统的功能。同时，通信协议数据帧的功能码长度支持拓展，使得通信协议具备拓展性。具体实施时，功能码表示的功能包括髋/膝/踝关节角度、髋/膝/踝关节角速度、髋/膝/踝关节加速度、髋/膝关节电流斜率、髋/膝关节操作模式、髋/膝关节目标力矩、髋/膝关节目标位置、髋/膝关节脉冲计数、髋/膝关节位置模式下最大速度；节点码表示的硬件节点包括左小腿节点、左大腿节点、右小腿节点、右大腿节点和背部节点。表1数据帧组成表2功能码参数表表3操作码参数表序号功能操作码1参数写入指令0x012参数读取指令0x023底层功能调用指令0x044封装功能调用指令0x065参数写入返回指令0x106参数读取返回指令0x207底层功能调用返回指令0x408封装功能返回指令0x80表4节点码参数表序号功能操作码1左小腿节点0x012左大腿节点0x023右大腿节点0x034右小腿节点0x045背部节点0x00表1至表4列举了一类数据帧、功能码、操作码和节点码的具体实施例，例如，表1数据帧中的功能码、操作码、节点码位置的数据可替换为对应表2、表3和表4中的任一个数据，实现向不同目标、不同数据的获取返回。本发明外骨骼机器人平台通信协议根据实现功能不同，其数据帧指令的分类不同，包括底层控制指令和用户功能指令；其中，底层控制指令包含关节电机数据读写和机身传感器信息读写，该类指令用于外部终端直接获取外骨骼机器人本体的实时信息并写入相关的控制指令，可用于进行远程数据监控或仿真应用；用户功能指令包括控制模式读写和用户配置读写，该类指令用于普通外部终端操作外骨骼机器人本体内封装的功能，封装功能包括切换外骨骼机器人工作模式、起蹲、抬落腿和切换上下楼梯等。外骨骼机器人平台通信协议使得外骨骼机器人工作模式包括服务器工作模式和客户端工作模式两种；服务器工作模式为：外骨骼机器人本体在外骨骼机器人平台通信协议下以其自身的中控单元作为控制端，连接于外骨骼机器人的外部终端作为外骨骼机器人的系统模块，外骨骼机器人基于其内部功能模块进行运动决策；客户端工作模式为：外骨骼机器人本体在外骨骼机器人平台通信协议下作为外骨骼机器人系统内的一个执行模块，外骨骼机器人自身的中控单元作为信息中继，将控制权移交给具有处理能力的外部终端，外骨骼机器人本体根据其接收的外部终端发来的控制信号运动。本发明外骨骼机器人平台通信协议支持通过有线rs232/485、can、网线或无线wifi、蓝牙等形式的通信方式进行传输，连接的外部终端类型需要具备相关硬件通信模块即可实现经过外骨骼机器人平台通信协议与外骨骼机器人本体的连接，不限于外部终端本身搭载的平台windows，android，还可以是其他硬件通信模块。外骨骼机器人平台通信协议使得外骨骼机器人本体在can总线协议、wlan、或wifi条件下，支持同时连接一个或多个不同类型的终端，并且，在硬件允许范围内同时连接hmi手持终端、手机、电脑、监控显示设备等外部终端，所有外部终端都可在允许权限范围内共享数据，如附图1所示。本发明还提供一种基于以上通信协议的外骨骼机器人在线仿真控制系统，该在线仿真控制系统包括外骨骼机器人3d模型、数据监控及存储导出单元、通信单元、外骨骼机器人物理模型、外骨骼机器人运动学模型和外骨骼机器人动力学模型，通信单元用于连接若干外骨骼机器人本体；具体连接时，外骨骼机器人在线仿真控制系统支持多种通信连接方案，例如通信单元采用rs232/485、can、wlan、蓝牙或wifi，支持多点连接，实现同时连接控制多台外骨骼机器人本体。具体为，在线仿真控制系统基于上述的外骨骼机器人平台通信协议获取外骨骼机器人本体的实时传感信息，例如关节角度信息、角速度信息、角加速度信息、躯干俯仰角信息等，再根据获取的实时传感信息实时更新驱动外骨骼机器人3d模型运动至相对位置，实时同步外骨骼机器人本体姿态至所述在线仿真控制系统的软件显示页面。在线仿真控制系统的数据监控及存储导出单元设置有监控控件和存储控件，其中，监控控件用于根据在线仿真控制系统片选接收的外骨骼机器人数据，以数据曲线形式实时显示；存储控件用于开启在线仿真控制系统的数据存储开关，以将在线仿真控制系统接收到的数据按指定形式存储至本地的数据库，或根据用户需求，将被筛选数据导出使用。该在线仿真控制系统的外骨骼机器人物理模型用于在线仿真控制系统根据外骨骼机器人本体将物理模型部分数据参数化，进行微调仿真和自定义修改，自定义修改的内容包括肢体长度、质量、重心位置、关节角度范围，使得外骨骼机器人物理模型具备一定的泛化能力。同时，外骨骼机器人运动学模型和所述外骨骼机器人动力学模型用于根据在线仿真控制系统获取的外骨骼机器人本体数据计算外骨骼机器人本体控制指定位置或力矩输出信息，并且外骨骼机器人运动学模型和外骨骼机器人动力学模型还支持使用在线或离线导入存储的数据。在线仿真控制系统还包括在线控制单元，在线控制单元用于在外骨骼机器人本体系统支持情况下，获取外骨骼机器人本体控制权限，进行外骨骼机器人本体在线控制；具体控制为在线控制单元控制外骨骼机器人本体上关节伺服电机的运行模式，输出外骨骼机器人本体的不同场景，关节伺服电机的运行模式包括角度模式、角速度模式及力矩输出模式；在线仿真控制系统的控制功能下，在线仿真控制系统可基于接收的系统信息进行控制决策。本发明的在线仿真控制系统为半开源系统，通过采用半开源设计，用户可基于系统提供的api进行二次开发，进行外骨骼机器人相关系统的系统验证或算法验证；例如接入脑电、肌电采集设备组成全闭环系统，利用仿真系统运行的高性能处理器进行运动意图分析；或者，使用搭载系统的高性能处理器运行自定义机器人数学模型，进行运动学或动力学方面的控制验证；半开源设计能为后期设计提供指导，简化系统开发流程，加快系统迭代速度。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属
技术领域：
中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。当前第1页12