一种应用于外骨骼助力机器人的通信系统的制作方法

本实用新型涉及总线通信技术领域，尤其是一种应用于外骨骼助力机器人的通信系统。

背景技术：

外骨骼助力机器人实质上是一种可穿戴机器人，它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。外骨骼助力机器人通常是一个庞大且复杂的机电液系统，包括本体机械结构、电机或液压执行器、多传感器、控制电路及控制软件算法。外骨骼助力机器人分布全身的传感器和执行器数量众多，需要一套稳定高速的控制系统采集多传感器信息，并且控制执行器。

目前应用在外骨骼助力机器人领域的控制总线多为CAN总线(Controller Area Network，控制器局域网络)。实现方法为：使用可直接接入CAN总线的传感器和执行器，直接使用CAN总线采集传感器信息，发送执行器控制指令。现有的CAN总线控制方案，缺陷在于：受限于CAN总线的通讯速率，总线带宽最大为1Mbs，容易出现带宽不足和通讯阻塞；可直接接入CAN总线的传感器与执行器数量不多，大大减小了实施时的器件选择余地。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种应用于外骨骼助力机器人的通信系统，克服通讯速率低与可选择传感器数量少的问题。

为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案：

一种应用于外骨骼助力机器人的通信系统，包括：获取机器人的传感器组数据和发送控制信号到机器人的伺服机构的上位机单元、设置于机器人肢干的远程输入输出单元、数据接口单元；所述上位机单元与数据接口单元的网络接口连接，所述远程输入输出单元包括设置于上肢的第一远程输入输出模块、第二远程输入输出模块，第一远程输入输出模块与第二远程输入输出模块串联后与数据接口单元的第一总线接口连接，和，

设置于躯干的第三远程输入输出模块和第四远程输入输出模块，第三远程输入输出模块和第四远程输入输出模块串联后与数据接口单元的第二总线接口连接，和，

设置于下肢大腿处的第五远程输入输出模块、第六远程输入输出模块，第五远程输入输出模块与第六远程输入输出模块串接后与数据接口单元的第三总线接口连接，和，

设置于下肢小腿处的第七远程输入输出模块、第八远程输入输出模块，第七远程输入输出模块与第八远程输入输出模块串接后与数据接口单元的第四总线接口连接。

进一步地，所述第一远程输入输出模块的AD采集通道与左手六维力传感器连接，EnDAT接口通道与左肩关节编码器和左肘关节编码器连接，DA输出通道与左肘关节伺服阀连接；所述第二远程输入输出模块的AD采集通道与左手六维力传感器连接，EnDAT接口通道与左肩关节编码器和左肘关节编码器连接，DA输出通道与右肘关节伺服阀连接。

进一步地，所述第三远程输入输出模块的AD采集通道与左侧躯干倾角传感器连接，EnDAT接口通道分别与左髋关节编码器、左肩关节编码器连接，DA输出通道分别与左髋关节伺服阀和左肩关节伺服阀连接；第四远程输入输出模块的AD采集通道与右侧躯干倾角传感器连接，EnDAT接口通道分别与右髋关节编码器、右肩关节编码器连接，DA输出通道分别与右髋关节伺服阀和右肩关节伺服阀连接。

进一步地，所述第五远程输入输出模块的AD采集通道与左侧大腿接触力传感器连接，EnDAT接口通道与左侧髋关节编码器连接，DA输出通道分别与左膝关节伺服阀和左髋关节伺服阀连接；所述第六远程输入输出模块的AD采集通道与右侧大腿接触力传感器连接，EnDAT接口通道与右侧髋关节编码器连接，DA输出通道分别与右膝关节伺服阀和右髋关节伺服阀连接。

进一步地，所述第七远程输入输出模块的AD采集通道与左足足底压力传感器的输出端连接；EnDAT接口通道与左足踝关节编码器、左膝编码器连接；第八远程输入输出模块的AD采集通道与右足足底压力传感器的输出端连接；EnDAT接口通道与右足踝关节编码器、右膝编码器连接。

本实用新型的有益效果是，

本实用新型通讯速率提高，达到1000Mbps。使用FPGA作为控制核心，保证了内部通讯网络的速度和稳定性。使用了远程输入输出模块，可拓展性好，增加传感器和执行器，只需增加RIOM(Remote IO Module，远程输入输出模块)就可以。增大了传感器和执行器的选择范围，不局限于总线型传感器和执行器。

附图说明

图1是本实施例结构示意图；

图2是本实施例上下肢的RIOM安装分布示意图；

图3是本实施例远程输入输出模块结构原理图。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本实用新型进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本实用新型的不同结构。为了简化本实用新型的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本实用新型可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本实用新型省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本实用新型。

如图1所示，一种应用于外骨骼助力机器人的通信系统，包括：获取机器人的传感器组数据和发送控制信号到机器人的伺服机构的上位机单元、设置于机器人肢干的远程输入输出单元、数据接口单元；所述上位机单元与数据接口单元的网络接口连接，所述远程输入输出单元包括设置于上肢的第一远程输入输出模块、第二远程输入输出模块，第一远程输入输出模块与第二远程输入输出模块串联后与数据接口单元的第一总线接口连接，和，设置于躯干的第三远程输入输出模块和第四远程输入输出模块，第三远程输入输出模块和第四远程输入输出模块串联后与数据接口单元的第二总线接口连接，和，设置于下肢大腿处的第五远程输入输出模块、第六远程输入输出模块，第五远程输入输出模块与第六远程输入输出模块串接后与数据接口单元的第三总线接口连接，和，设置于下肢小腿处的第七远程输入输出模块、第八远程输入输出模块，第七远程输入输出模块与第八远程输入输出模块串接后与数据接口单元的第四总线接口连接。

上位机单元包括计算机与网络接口。数据接口板包括1个网络接口，4个高速通讯总线接口，使用FPGA(Field Programmable GateArray，现场可编程门阵列)作为控制核心。RIOM(Remote IO Module，远程输入输出模块)包括两个高速通讯总线接口，多路模拟量与数字量输入输出接口，使用FPGA(FieldProgrammable GateArray，现场可编程门阵列)作为控制核心。工业计算机的网络接口与数据接口板的网络接口相连接。数据接口板的每个高速通讯总线接口串联两个RIOM(Remote IO Module，远程输入输出模块)。RIOM(Remote IO Module，远程输入输出模块)与各种传感器和执行器连接。数据接口板与RIOM(Remote IO Module，远程输入输出模块)通过高速并行总线接口组网，通讯速率1000Mbps。工业计算机与数据接口板通过EtherNET通讯，通讯速率1000Mbps。

如图2所示，RIOM(Remote IO Module，远程输入输出模块)分布于外骨骼机器人的上肢和下肢，作用是采集外骨骼机器人的关节编码器信号，关节液压推杆的力传感器信号，外骨骼机器人背部与手部操作杆的六维力传感器信号以及安装在外骨骼机器人躯干的倾角传感器信号。RIOM还有模拟量输出接口，用来给伺服阀发送模拟量信号，从而控制关节液压推杆的推力与速度。

为了满足这些信号采集与信号输出的需求，每个RIOM有3路16位AD0-5V输入，2路16位DA±10mA输出，2路EnDat编码器接口，还有两个高速并行总线接口，如图3所示。上下肢各RIOM负责的信号输入输出如下表1所示

表1RIOM负责的信号输入输出

数据接口板的作用是将各个RIOM采集到的传感器信息汇集，通过网络接口传输给工业计算机，同时将控制算法的输出，即各关节液压推杆的控制信息分别发送给各RIOM，控制伺服阀。数据接口板上有4路高速并行总线接口，分别连接安装在机器人肢干的RIOM。

外骨骼机器人的控制算法运行在工业计算机上，工业计算机型号为倍福CX-5140，其内部运行的实时核可以保证控制算法2KHz的刷新率，满足外骨骼机器人的控制要求。

工作过程：

分布于四肢的各RIOM的AD采集通道采集各关节编码器数据、足底压力传感器数据、液压推杆压力传感器数据以及六维力传感器数据，并通过高速并行总线将数据上传汇集到数据接口板，数据接口板对数据进行整理打包后通过网络接口传输给工业计算机。外骨骼机器人控制算法将关节角度作为数据输入，通过运动学与动力学计算，得到各关节所需的驱动扭矩，转化成伺服阀的控制信号，通过数据接口板下发到各RIOM，经DA转换后变成电流信号，控制伺服阀，实现对液压推杆的控制。控制算法按照此控制流程，周期循环，实现对外骨骼机器人的随动控制。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。