[發明專利]外骨骼機器人的嵌入式系統

有效

• 申請號: 201410020994.3
• 申請日: 2014-01-17
• 公開（公告）號: CN103722550A
• 公開（公告）日: 2014-04-16
• 發明（設計）人: 劉大生;顏國正;王志武
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: B25J9/00
• 分類號: B25J9/00;B25J9/16;B25J13/08
• 代理公司: 上海交達專利事務所 31201
• 代理人: 王毓理;王錫麟

1.一種外骨骼機器人的嵌入式系統，其特征在于，包括：主控處理器、傳感信號數字處理器DSP、藍牙電路、若干傳感器、CAN控制器、CAN總線收發器和執行驅動電路，其中：主控處理器分別與傳感信號數字處理器和CAN控制器相互通訊，藍牙電路的輸入端和輸出端分別與各個傳感器和傳感信號數字處理器相通訊，CAN總線收發器的接收端和發送端分別與CAN總線和CAN控制器相連，執行驅動電路與CAN總線相連；

執行驅動電路包括：若干伺服驅動器、若干分別設于外骨骼機器人的左、右髖關節、膝關節以及踝關節的伺服電機，其中：各個伺服電機由一個對應的連接于CAN總線上的伺服驅動器控制；

藍牙電路包括：主電路和若干分別與各個傳感器相通訊的從電路，其中：主電路和各個從電路相通訊，或者部分從電路與主電路直接通訊，其余部分的從電路與主電路由主從轉換中繼電路相通訊；其中：主電路包括設置于人體腰部位置的嵌入式處理器、主藍牙收發器、主基帶信號處理器、主數字無線處理電路、主數控振蕩電路、主射頻收發開關切換電路、片外擴展大容量RAM和串行通信UART，其中：嵌入式處理器分別與主基帶信號處理器和片外擴展大容量RAM以及串行通信UART相通訊，串行通信UART與傳感信號數字處理器DSP相通訊，主藍牙收發器與主基帶信號處理器相連，主數控振蕩電路和主射頻收發開關切換電路分別與主數字無線處理電路相連；從電路包括：從數字無線處理電路、從數控振蕩電路、從射頻收發開關切換電路、從藍牙收發器和從基帶信號處理器，其中：從數控振蕩電路和從射頻收發開關切換電路分別與從數字無線處理電路相連，從藍牙收發器分別與從基帶信號處理器和各個傳感器相通訊，從基帶信號處理器分別與從數字無線處理電路和各個主電路的嵌入式處理器相連。

2.根據權利要求1所述的系統，其特征是，所述的傳感信號數字處理器包括：數字信號處理器、SPI接口、UART接口，其中：SPI接口、UART接口分別與數字信號處理器相連，數字信號處理器通過SPI接口與主控處理器相通訊，數字信號處理器通過UART接口與藍牙電路的串行通信UART相連。

3.根據權利要求1或2所述的系統，其特征是，所述的CAN控制器包括：CAN總線通信接口電路、串口收發器、CAN總線光電隔離電路，其中：串口收發器、CAN總線光電隔離電路分別與CAN總線通信接口電路相連，CAN總線通信接口電路通過串口收發器與主控處理器相連，CAN總線光電隔離電路與CAN總線收發器相連，CAN總線控制器通過CAN總線光電隔離電路相連以實現總線上各節點間的電氣隔離。

4.根據權利要求3所述的系統，其特征是，所述的若干傳感器包括：分別設于人體髖部、大腿、小腿、足底位置的測量人體關節運動角度的MEMS陀螺儀和加速度傳感器、足底壓力傳感器、接觸力傳感器。

5.根據權利要求3所述的系統，其特征是，所述的執行驅動電路的伺服驅動器為設有增量式編碼反饋信息子電路的直流式伺服驅動器。

6.一種基于上述權利要求所述系統的控制方法，其特征在于，藍牙電路的各個從電路收集相應的傳感器的傳感信息，傳感信息通過主電路傳輸至傳感信號數字處理器，傳感信號數字處理器通過MEMS陀螺儀和加速度傳感器獲取的人體髖部、下肢大小腿及足部的加速度傳感數據、下肢大小腿及足部的角速度信息，得到人體髖關節、下肢膝關節及踝關節的角度值，并將該角度值以及足底壓力傳感器、接觸力傳感器獲取的壓力信號傳輸至主控處理器，主控處理器融合角度值和壓力信號得到人體的零力矩點ZMP，Zero?Moment?Point，ZMP作為外骨骼機器人ZMP的參考輸入，控制執行驅動電路生成驅動信號，從而控制外骨骼機器人ZMP保持在外骨骼機器人足部與地面接觸所確定的支撐區域，即單足支撐時，支撐區域位于支撐足的腳印內；雙足支撐時，支撐區域位于雙足與接觸的地面形成的支撐多邊形以內。

7.根據權利要求6所述的系統，其特征是，所述的得到人體髖關節、下肢膝關節及踝關節的角度值的計算方法是：基于人體髖部、下肢大小腿及足部的加速度傳感數據計算得到下肢大小腿及足部的傾斜度信息，基于陀螺儀獲取的下肢大小腿及足部的轉動角速度信號積分計算得到下肢各部分肢體的轉動角度信息，再將傾斜度信息與轉動角度信息經加權平均法得到平均傾斜角，將下肢肢體兩兩相連部分的平均傾斜角經差值計算可分別得到髖關節、膝關節及踝關節的角度值。