[發明專利]一種有源腰部助力外骨骼機器人電氣系統

有效

• 申請號: 202010129898.8
• 申請日: 2020-02-28
• 公開（公告）號: CN111319027B
• 公開（公告）日: 2022-04-01
• 發明（設計）人: 魏巍;林西川;夏禹軒
• 申請（專利權）人: 邁寶智能科技（蘇州）有限公司
• 主分類號: B25J9/00
• 分類號: B25J9/00;B25J9/12;B25J13/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種有源腰部助力外骨骼機器人電氣系統，其包括主控單元、手持終端、驅動單元、航姿參考系統、電流檢測單元及電源單元，手持終端、驅動單元、航姿參考系統、電流檢測單元均與主控單元電連接，主控單元、航姿參考系統、電流檢測單元、電源單元設于外骨骼機器人背部，驅動單元設于外骨骼機器人的兩腿髖關節，手持終端獨立于外骨骼機器人本體，驅動單元包括電機、減速器和電機驅動器，電流檢測單元用于測量驅動單元的電流，航姿參考系統相對于外骨骼機器人的背部前傾。本發明的有源腰部助力外骨骼機器人電氣系統通過將航姿參考系統相對于外骨骼機器人背部前傾安裝的方式，有效的解決了MPU6050加速度傳感器在測量90°角的奇點問題。

技術領域

本發明涉及助力外骨骼機器人技術領域，具體涉及一種有源腰部助力外骨骼機器人電氣系統。

背景技術

腰部助力外骨骼主要應用于在工業生產或加工的過程中，工作人員需要進行反復抬舉、軀干長時間彎曲或扭曲的場合。在這一工程中腰部肌肉容易疲勞，甚至出現勞損，增加了工作人員患肌肉骨骼疾病的風險。外骨骼機器人按其工作方式是否使用能源，可以分為有源外骨骼和無源外骨骼。有源外骨骼需要提供動力的能源，一般包括電池、驅動組件、傳感器等部件。

有源腰部外骨骼的主體結構由背部和兩側大腿組成，通過安裝在雙腿髖關節的驅動組件進行助力。為了實現良好的助力效果，需要對人體姿態及運動狀態進行測量，這就需要在外骨骼上安裝能夠測量人體俯仰角，雙腿髖關節角度以及人機交互力等數據的傳感器。為保證數據傳輸實時性及穩定性，在有源外骨骼機器人各部分之間往往通過線束進行數據傳輸。

現有的有源腰部助力外骨骼機器人在進行人體姿態及運動狀態判斷時，需要使用很多的傳感器，包括測量姿態角及加速度的航姿參考系統、測量關節角度的編碼器或電位器、測量人機交互力的壓力傳感器等，安裝這些傳感器的機構較為復雜并且連接各傳感器及主控單元的線束數量很大。這一方面增加了外骨骼機器人的體積及重量，影響穿戴舒適性，另一方面明顯增加了外骨骼機器人安裝、調試以及后期維護的繁雜程度，提高了外骨骼機器人生產過程中的時間成本和人員成本，十分不易于外骨骼機器人的產業化發展。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明目的在于提供一種設計合理，結構精簡，便于安裝調試的有源腰部助力外骨骼機器人電氣系統。其采用如下技術方案：

一種有源腰部助力外骨骼機器人電氣系統，其包括主控單元、手持終端、驅動單元、航姿參考系統、電流檢測單元及電源單元，所述手持終端、驅動單元、航姿參考系統、電流檢測單元均與主控單元電連接，所述主控單元、航姿參考系統、電流檢測單元、電源單元設于外骨骼機器人背部，所述驅動單元設于外骨骼機器人的兩腿髖關節，所述手持終端獨立于外骨骼機器人本體，所述驅動單元包括電機、減速器和電機驅動器，所述電流檢測單元用于測量所述驅動單元的電流，所述航姿參考系統相對于外骨骼機器人的背部前傾。

作為本發明的進一步改進，通過在GND端加采樣電阻產生壓降，該壓降經過放大電路后由所述主控單元進行AD轉換，進而計算出驅動單元的電流。

作為本發明的進一步改進，當所述驅動單元達到某一側機械限位時，電流會因為電機堵轉而明顯提升，由此確定電機的初始位置。

作為本發明的進一步改進，所述電機通過三相線和霍爾線連接至電機驅動器，所述電機驅動器和主控單元之間通過CAN通信的方式進行數據傳輸，所述主控單元通過讀取電機內部的霍爾傳感器數據并結合減速器的減速比，計算出髖關節的相對旋轉角度。

作為本發明的進一步改進，在穿戴過程中，當人體與外骨骼人機器人產生明顯交互力時，電流也變化，并將此作為外骨骼助力控制算法的輸入參數之一。

作為本發明的進一步改進，所述手持終端單元用于穿戴者控制外骨骼機器人開關機、切換外骨骼機器人工作模式以及調整外骨骼機器人助力等級。

作為本發明的進一步改進，所述手持終端和主控單元之間通過磁吸USB線進行電力及數據傳輸。