一种驱动控制装置、驱动单元以及驱动控制方法

1.本技术涉及软体机器人技术领域，具体涉及一种驱动控制装置、驱动单元以及驱动控制方法。


背景技术：

2.软体机器人是机器人领域的一个分支，得益于软材料的特性，软体机器人被广泛应用于包括医疗康复领域在内的多个不同领域。软体机器人需要使用驱动系统或驱动单元进行控制。现有技术多采用两泵多阀的气动驱动方案，该方案一个泵提供正压源，一个泵提供负压源，两个阀分别控制驱动器与正压源和负压源的连接。采用该方案两泵多阀需要至少四个器件来实现一路驱动器的正负压控制，需要的器件数量多，存在体积较大、重量较重、便携性差的缺陷。


技术实现要素：

3.本技术提供一种驱动控制装置、驱动单元以及驱动控制方法，其主要目的在于降低驱动单元的器件数量、缩小驱动单元的体积，进而提高驱动单元的便携性。
4.根据本技术的第一方面，提供一种驱动控制装置，包括：驱动单元和控制元件；
5.所述驱动单元用于驱动软体驱动器，所述驱动单元包括隔膜泵、控制阀和多根连接管；所述控制阀具有四个端口，其中两个端口通过所述连接管和所述隔膜泵连通，一个端口通过连接管和软体驱动器连通，另一个端口和大气连通；
6.所述控制元件用于调节所述隔膜泵的转速，所述控制元件还用于切换所述控制阀的端口连接以改变软体驱动器的工作状态。
7.一种实施例中，所述控制元件包括控制单元、电机调速模块以及io模块；所述控制单元用于向所述电机调速模块发送至少一个电机功率信号，所述电机调速模块用于根据所述电机功率信号控制至少一个所述隔膜泵的转速；所述控制单元还用于向所述io模块发送至少一个阀位置信号，所述io模块用于根据所述阀位置信号控制至少一个所述控制阀的端口连接状况。
8.一种实施例中，所述控制元件还包括模数转换模块和压力传感器，所述压力传感器用于和软体驱动器连通，所述压力传感器用于测量软体驱动器上的压力信号并将所述压力信号发送给所述模数转换模块，所述模数转换模块用于将所述压力信号发送给所述控制单元，所述控制单元还用于根据所述压力信号控制所述电机调速模块和所述io模块。
9.一种实施例中，所述控制元件还包括通信模块，所述通信模块为有线通信模块或无线通信模块，所述通信模块用于将远程终端的信号发送给所述控制单元。
10.一种实施例中，所述控制单元包括气压伸缩量解算模块和连续控制器；所述气压伸缩量解算模块用于根据所述通信模块发送的信号输出软体驱动器的期望压力值，并将所述压力信号和所述期望压力值进行比较并作差等到误差值，所述连续控制器用于根据所述误差值控制所述隔膜泵的转速。
11.根据本技术的第二方面，提供一种驱动单元，所述驱动单元用于驱动软体驱动器，所述驱动单元包括隔膜泵、控制阀和多根连接管；所述控制阀具有四个端口，其中两个端口通过所述连接管和所述隔膜泵连通，一个端口通过连接管和软体驱动器连通，另一个端口和大气连通；所述隔膜泵用于向软体驱动器提供正压源或负压源，所述控制阀用于切换端口连接状况以改变软体驱动器的工作状态。
12.一种实施例中，所述控制阀为四通阀或五通阀。
13.根据本技术的第三方面，提供一种驱动控制方法，包括：
14.接收远程传输的运动信号并将其转为数字运动信号；
15.根据所述数字运动信号，解算出电机功率信号和阀位置信号；
16.隔膜泵在所述电机功率信号的触发下调整电机转速，进而调整软体驱动器的流体流速；
17.控制阀在所述阀位置信号的触发下调整端口连接状况，进而调整所述软体驱动器的工作状态。
18.一种实施例中，调整所述软体驱动器的流体流速之后，还包括采集所述软体驱动器的压力值，所述数字运动信号被转化为期望压力值，并将所述压力值和所述期望压力值进行比较并作差，根据所述压力值和所述期望压力值的误差值解算出所述电机功率信号和所述阀位置信号，以对应调整所述隔膜泵的转速和/或所述控制阀的端口连接状况。
19.一种实施例中，根据所述误差值得到连续控制量，采用饱和函数控制量将所述连续控制量转化为+100到-100之间的范围输出量，对所述范围输出量进行分解；将所述范围输出量的绝对值转为所述隔膜泵的功率值以调节所述隔膜泵的转速；将所述范围输出量的正负符号转化为所述控制阀的状态量，以切换所述控制阀的端口连接状况。
20.依据上述实施例中的驱动控制装置，驱动单元为一泵一阀结构，具有器件数量少、体积更小、重量较轻以及便携性的优势。驱动单元上的隔膜泵能够提供正压源或负压源的，不用设置两个泵来分别提供正压源和负压源，简化泵的个数。驱动单元上的控制阀具有四个端口，通过端口切换即可和隔膜泵配合提供正压源或负压源，进而实现软体驱动器的伸缩。除了驱动单元外，还设置了和驱动单元相对应的控制元件，在控制元件的作用下较为方便且智能的实现隔膜泵转速的调节以及控制阀上端口连接的切换。驱动单元和隔膜泵配合，通过调节隔膜泵的转速来调节软体驱动器上的流体流速以及流量，使得软体驱动器具有更多种的模式或训练强度，提高软体驱动器的实用性，给患者带来更大的康复帮助。
附图说明
21.图1为本技术一种实施例中驱动单元结构示意图；
22.图2为本技术一种实施例中驱动单元爆炸结构示意图；
23.图3为本技术一种实施例中控制元件模块示意图；
24.图4为本技术一种实施例中控制单元结构示意图；
25.图5为本技术一种实施例中驱动控制方法流程示意图。
26.附图标记说明：1.隔膜泵、2.控制阀、3.连接管、4.控制元件、5.软体驱动器、41.控制单元、42.电机调速模块、43.io模块、44.模数转换模块、45.压力传感器、46.通信模块、47.控制终端、411.气压伸缩量解算模块、412.连续控制器。
具体实施方式
27.下面通过具体实施方式结合附图对本技术作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本技术能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本技术相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本技术的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
28.另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
29.本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本技术所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。
30.如图1-3所示，一种驱动控制装置，包括：驱动单元和控制元件4。
31.驱动单元用于驱动软体驱动器5，驱动单元包括隔膜泵1、控制阀2和多根连接管3。控制阀2具有四个端口，其中两个端口通过连接管3和隔膜泵1连通，一个端口通过连接管3和软体驱动器5连通，另一个端口和大气连通。
32.控制元件4用于调节隔膜泵1的转速，控制元件4还用于切换控制阀2的端口连接以改变软体驱动器5的工作状态。具体的，软体驱动器5采用波纹管驱动器。
33.采用上述实施例中的驱动控制装置，驱动单元为一泵一阀结构，具有器件数量少、体积更小、重量较轻以及便携性的优势。驱动单元上的隔膜泵1能够提供正压源或负压源的，不用设置两个泵来分别提供正压源和负压源，简化泵的个数。驱动单元上的控制阀2具有四个端口，通过端口切换即可和隔膜泵1配合提供正压源或负压源，进而实现软体驱动器5的伸缩。除了驱动单元外，还设置了和驱动单元相对应的控制元件4，在控制元件4的作用下较为方便且智能的实现隔膜泵1转速的调节以及控制阀2上端口连接的切换。驱动单元和隔膜泵1配合，通过调节隔膜泵1的转速来调节软体驱动器5上的流体流速以及流量，使得软体驱动器5具有更多种的模式或训练强度，提高软体驱动器5的实用性，给患者带来更大的康复帮助。
34.如图3所示，控制元件4包括控制单元41、电机调速模块42以及io模块43。控制单元41用于向电机调速模块42发送至少一个电机功率信号，电机调速模块42用于根据电机功率信号控制至少一个隔膜泵1的转速。控制单元41还用于向io模块43发送至少一个阀位置信号，io模块43用于根据阀位置信号控制至少一个控制阀2的端口连接状况。
35.和控制元件4相配合的驱动单元可以设置一个或多个，例如将本技术设计的驱动控制装置应用到康复手套上，一个驱动单元驱动控制一路的软体驱动器5，对应的设置五个驱动单元。这样，控制单元41会向电机调速模块42发送五个电机功率信号，向io模块43发送五个阀位置信号。电机调速模块42再根据五个电机功率信号来分别控制五个隔膜泵1的转速，io模块43再根据五个阀位置信号分别控制五个控制阀2的端口连接状况。
36.控制单元41发送的五个电机功率信号可以相同，也可以不同，五个阀位置信号也可以相同或不同，具体根据实际情况设置。当采用多个驱动单元时，多个驱动单元彼此独立，故不影响，使得采用本技术设计的驱动控制装置可以根据患者的恢复需求，个性化的针对各个手指进行康复训练，使得康复手套的使用更加灵活多样，有助于提高康复手套的实用性。并且可以根据实际情况控制对应隔膜泵1的电机功率信号，调节隔膜泵1的转速大小，而不是泵器件只有全速运转和停转两种工作模式，使得设计的驱动控制装置对于软体驱动器5的控制更加精细化。
37.所说的数量五个仅为列举，不应理解为对本技术的限制。例如患者只需要三个手指康复训练时，对应的只需要发送三个电机功率信号和三个阀位置信号。设计的驱动控制装置不仅能够应用到康复手套上，还可以应用到别的可穿戴设备，例如对关节进行康复训练的软体驱动器5，或者腕部、脚踝等气动假肢。
38.更佳的，如图3所示，控制元件4还包括模数转换模块44和压力传感器45，压力传感器45用于和软体驱动器5连通，压力传感器45用于测量软体驱动器5上的模拟压力信号，并将模拟压力信号发送给模数转换模块44。模数转换模块44用于将模拟压力信号转换为数字压力信号后发送给控制单元41，控制单元41还用于根据数字压力信号控制电机调速模块42和io模块43。具体的，控制单元41具体为微控制单元(mcu)，通过mcu上的串行外设接口(spi)与模数转换模块44进行通信。
39.其中，软体驱动器5的驱动源不一定局限为气动，也可以是其他流体，例如液压，即软体驱动器5的驱动流体不局限于某种气体，也可以是液体甚至是气液混合物。以气体作为驱动源为例，对应的压力传感器45为气压传感器，气压传感器对应的测量并发送模拟气压信号，模数转换模块44对应的将模拟气压信号转为数字气压信号。气压传感器通过管道和软体驱动器5连通，气压传感器可以作为控制元件4上的一部分，也可以是一个独立的部件。
40.如图3所示，控制元件4还包括通信模块46，通信模块46为有线通信模块或无线通信模块，通信模块46用于将远程终端的信号发送给控制单元41。若采用无线通信模块46，例如蓝牙模块，能够实现驱动控制装置的无线使用，不受其他设备线的限制，使得采用该驱动控制装置的产品具有更好的便携性和实用性。
41.如图4所示，控制单元41包括气压伸缩量解算模块411和连续控制器412。气压伸缩量解算模块411用于根据通信模块46发送的信号输出软体驱动器5的期望压力值，并将数字气压信号和期望压力值进行比较并作差等到误差值，连续控制器412用于根据误差值控制隔膜泵1的转速。
42.压力传感器45和模数转换模块44的设置，使得驱动控制装置能够实现闭环控制。即借助模数转换模块44发送的压力信号能够和期望压力值来比较，以便于了解当前软体驱动器5的工作状态，并及时做出响应，进行针对性的调整，进而提高软体驱动器5的康复效果。增加压力传感器45和模数转换模块44之后，驱动控制装置能够连续调节软体驱动器5的流速和流量，具有更好的动态信号跟踪效果，并且具有更高的控制精度。
43.通过气压伸缩量解算模块411和连续控制器412，使得驱动控制装置可以应用更复杂的调节方法，控制性能更好，输出的信号可以更好地对软体驱动器5进行控制。并且驱动控制装置具有结构紧凑、便于实现一体化结构以及成本更低的优势。其中，连续控制器412具体可采用比例控制器、比例-微分控制器、比例-积分控制器以及比例-微分-积分控制器
等。根据不同的情况，采取对应类别的连续控制器412。本领域一般使用直流通断信号控制泵，只够实现泵的全速运转或停转。本技术采用连续控制器412对隔膜泵1的转速进行连续控制，以实现更精确的压力信号跟踪。通过调节隔膜泵1的转速，对充放气的流速进行连续调节。能够连续精细的调节供给气量的大小，从而能提高控制精度，减少抖动。
44.一种驱动单元，驱动单元用于驱动软体驱动器5，驱动单元包括隔膜泵1、控制阀2和多根连接管3。控制阀2具有四个端口，其中两个端口通过连接管3和隔膜泵1连通，一个端口通过连接管3和软体驱动器5连通，另一个端口和大气连通。隔膜泵1用于向软体驱动器5提供正压源或负压源，控制阀2用于切换端口连接状况以改变软体驱动器5的工作状态。驱动单元为一泵一阀结构，具有器件数量少、体积更小、重量较轻以及便携性的优势。驱动单元上的隔膜泵1能够提供正压源或负压源的，不用设置两个泵来分别提供正压源和负压源，简化泵的个数。驱动单元上的控制阀2具有四个端口，通过端口切换即可和隔膜泵1配合提供正压源或负压源，进而实现软体驱动器5的伸缩。
45.具体的，控制阀2为两位四通阀或三位五通阀。两位四通阀和三位五通阀能够实现端口的切换，进而实现软体驱动器5上充气和抽气两种工作模式的切换。优选的，选择两位四通阀，便于缩小驱动单元的体积重量。
46.本技术所设计的驱动单元是一种高集成度单元，可以独立控制一路软体驱动器5的气压。当系统需要驱动更多的软体驱动器5时，仅需添加一模一样的驱动单元即可，不需要对原有的气路进行更改。使用多个相同的驱动单元组成所需要的软体机器人。
47.一种驱动控制方法，包括：接收远程传输的运动信号并将其转为数字运动信号。根据数字运动信号，解算出电机功率信号和阀位置信号。隔膜泵1在电机功率信号的触发下调整电机转速，进而调整软体驱动器5的流体流速。控制阀2在阀位置信号的触发下调整端口连接状况，进而调整软体驱动器5的工作状态。
48.调整软体驱动器5的流体流速之后，还包括采集软体驱动器5的压力值，数字信号被转化为期望压力值，并将压力值和期望压力值进行比较并作差，根据压力值和期望压力值的误差值解算出电机功率信号和阀位置信号，在电机功率信号的触发下来调整隔膜泵的转速，和/或，在阀位置信号的触发下调整控制阀的端口连接状况。
49.具体的根据误差值得到连续控制量，采用饱和函数控制量将连续控制量转化为+100到-100之间的范围输出量，对范围输出量进行分解。将范围输出量的绝对值转为隔膜泵1的电机功率信号以调节隔膜泵1的转速。将范围输出量的正负符号转化为控制阀2的阀位置信号，以切换控制阀2的端口连接状况。
50.具体的，驱动源为气体，通信模块46为蓝牙模块，控制阀2为两位四通阀，如图5所示，一种驱动控制方法，包括以下步骤：
51.步骤一：蓝牙模块和控制终端47连接，控制终端47例如为电脑或手机等电子产品。蓝牙模块接收控制终端47远程传输的无线运动信号，并将其转为数字运动信号，再将数字运动信号发送给控制单元41。数字运动信号包括软体驱动器5是伸长还是收缩的信息，以及软体驱动器5对应的期望压力值。
52.步骤二：控制单元41中的气压伸缩量解算模块411根据数字运动信号解算出软体驱动器5需要的期望压力值。连续控制器412根据期望压力值解算出电机功率信号和阀位置信号。将电机功率信号发送给电机调速模块42，将阀位置信号发送给io模块43。
53.步骤三：电机调速模块42根据接收的电机功率信号来控制隔膜泵1的电压高低，进而控制电机转速，控制气体的流速变化。io模块43根据接收的阀位置信号调整端口连接状况，进而调整软体驱动器5的工作状态，工作状态包括充气和抽气两种。隔膜泵1和两位四通阀再作用于软体驱动器5，实现软体驱动器5的弯曲或伸直。
54.步骤四：压力传感器45和软体驱动器5相串联连通。通过压力传感器45采集软体驱动器5上的模拟气压信号，并发送给模数转换模块44。
55.步骤五：模数转换模块44将模拟气压信号转为数字气压信号，并发送给控制单元41中的气压伸缩量解算模块411。
56.步骤六：气压伸缩量解算模块411将解算出的期望压力值和接收的数字气压信号作差得到误差值，并将误差值发送给连续控制器412。连续控制器412根据误差值求得连续控制量，并通过饱和函数控制量将连续控制量转化为+100到-100之间的范围输出量，对范围输出量进行分解。将范围输出量的绝对值转为隔膜泵1的电机功率信号以调节隔膜泵1的转速。将范围输出量的正负符号转化为控制阀2的阀位置信号，以切换控制阀2的端口连接状况。
57.在步骤六之后，继续重复步骤四五六，直到达到期望压力值。两位四通阀的具体工作原理如图1所示，两位四通阀包括a、b、c、d四个端口。当两位四通阀收到的阀位置信号为接通时，bc连通，ad连通，cd之间始终连通。通过b端口抽取气体依次输送至cda，再通过a端口的连接管3将气体充入软体驱动器5内。当两位四通阀收到的阀位置信号为断开时，ac连通，bd连通，cd之间始终连通。通过a端口将软体驱动器5内的气体抽出，依次输送至cdb，再通过b端口排入大气。
58.当连续控制器412采用比例控制器时，比例控制器将误差值乘以一个系数，即比例系数，得到一个连续控制量。之后利用饱和函数控制量将连续控制量转化为+100到-100的之间的范围输出量。对范围输出量进行分解，将范围输出量的绝对值转为隔膜泵1的电机功率信号以调节隔膜泵1的转速。将范围输出量的正负符号转化为控制阀2的阀位置信号，以切换控制阀2的端口连接状况，并输出到各器件执行动作。
59.当连续控制器412采用比例-积分控制器时，先根据误差值和之前mcu上存储的误差数据进行积分操作，得到两个中间变量，即误差、误差的积分。之后将两个中间变量分别乘以两个系数，即比例系数和积分比例系数，得到两个变量，即误差控制分量和积分控制分量。之后将两个变量求和得到连续控制量。之后利用饱和函数控制量将连续控制量转化为+100到-100的之间的范围输出量。对范围输出量进行分解，将范围输出量的绝对值转为隔膜泵1的电机功率信号以调节隔膜泵1的转速。将范围输出量的正负符号转化为控制阀2的阀位置信号，以切换控制阀2的端口连接状况，并输出到各器件执行动作。
60.当连续控制器412采用比例-微分-积分控制器时，先根据误差值和之前mcu上存储的误差数据进行微分和积分操作，得到三个中间变量，即误差、误差的微分、误差的积分。之后将三个中间变量分别乘以三个系数，即比例系数，微分比例系数和积分比例系数，得到三个变量，即误差控制分量、微分控制分量和积分控制分量。之后将三个变量求和得到连续控制量。之后利用饱和函数控制量将连续控制量转化为+100到-100的之间的范围输出量。对范围输出量进行分解，将范围输出量的绝对值转为隔膜泵1的电机功率信号以调节隔膜泵1的转速。将范围输出量的正负符号转化为控制阀2的阀位置信号，以切换控制阀2的端口连
接状况，并输出到各器件执行动作。
61.当范围输出量的绝对值为50时，表示隔膜泵1上的电机按照50％的转速转动，当范围输出量的绝对值为100时，表示隔膜泵1上的电机按照100％的转速转动，100％的转速也即为全速转动。所说的比例系数、微分比例系数和积分比例系数，具体数值大小根据实际情况去限定，本技术不做限定。
62.传统的控制方法使用运行在mcu上的离散控制器，该离散控制器控制mcu的io口发送开关信号控制泵在全速运转和停止运转两个状态间进行切换，发送开关信号控制阀2的开启与闭合。采用离散控制器的控制方法，由于泵转速恒定，因此供给气量恒定，同时因为阀有最小通断时间，因此易出现升压或降压过多的情况，这种控制方法容易使气压抖动，气压控制精度低。
63.本发明提出一种针对软体机器人的驱动控制方法，使用隔膜泵1作为连续调节的器件，隔膜泵1可以转的慢或快，转速的调节是平滑的。驱动控制方法以一种元件少、控制逻辑简单、动态信号跟踪精度高的新系统来有效提高软体机器人可穿戴设备的便携性并且提高其控制精度。相较于传统的离散控制器，本技术的驱动控制方法改变了对器件的控制方式，将使用连续的pwm信号(即电机功率信号)对泵进行控制。利用该信号，可以连续、平滑地调节泵的转速，利用这种方式，我们可以突破性的使用连续控制器412进行控制。连续控制器412可以根据反馈的数字压力信号距离期望压力值的远近，来动态调节泵的转速快慢。当数字压力信号距离期望压力值较远时，大幅度的改变转速。当数字压力信号距离期望压力值较近时，则小幅度改变转速。利用数字压力信号和期望压力值之间的误差值作为输入，利用pwm信号，阀位置信号作为输出，能够连续精细的调节供给气量的大小，从而能提高控制精度，减少抖动。
64.以上应用了具体个例对本技术进行阐述，只是用于帮助理解本技术，并不用以限制本技术。对于本技术所属技术领域的技术人员，依据本技术的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。