CN109108939A - 一种下肢外骨骼助残康复机器人的嵌入式控制*** - Google Patents

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赵江海
于海武
王美玲
陈淑艳
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Abstract

本发明涉及机器人运动控制技术领域，尤其是一种下肢外骨骼助残康复机器人的嵌入式控制***，包括服务器/信息管理PC、ARM触摸屏模块、DSP微控制器模块、压力采集模块、陀螺仪模块、拐杖控制模块、电机驱动器模块，所述ARM触摸屏模块与服务器/信息管理PC进行信息交互，ARM触摸屏与DSP微控制器模块通讯链接，用于传输数据和指令，所述DSP微控制器模块分别与拐杖控制模块、压力采集模块、陀螺仪模块以及电机驱动器模块之间通过CAN总线相连，用于数据和指令接收或发送，本发明实现了控制***的模块化、便携性以及对信息的有效管理。

Description

一种下肢外骨骼助残康复机器人的嵌入式控制***
技术领域
本发明涉及机器人运动控制技术领域，具体领域为一种下肢外骨骼助残康复机器人的嵌入式控制***。
背景技术
外骨骼是一种给人穿戴的人机一体化智能机械装置,它将人类的智力和机械装置的“体力”结合在一起,靠人的智力来控制机械装置,通过机械装置来完成仅靠人的自身能力无法单独完成的任务。下肢外骨骼是一种用来辅助人们行走的人机***,它将人和两足步行机器人结合在一起,利用人的运动控制能力来控制机器人的行走,简化了自主行走式两足机器人最为常见的步态规划和步态稳定性问题,同时它又为人类的行走提供动力协助,增强人类行走的能力和速度,特别是能够缓解人在大负重和长时间行走情况下极易出现的疲劳感,大大扩大人类的运动范围,故可用于军事、科考、旅游、交通等各方面,具有广泛的应用前景。与此同时由于各种自然灾害、疾病以及交通事故造成的残障人士也在逐年增加，无论是老年人还是下肢残疾人,他们的活动范围都受到了很大的限制,这就大大降低了他们的生活质量和生活自由度。随着外骨骼的出现,其助力助残行走功能可以增大老年人和残疾人的活动范围,提高他们的行动自由度,改善他们的生活质量,帮助他们更好的融入社会。
研发外骨骼机器人,其嵌入式运动控制***是关键技术之一,直接决定了外骨骼的实用性能。此外,控制***的优劣决定了整个***的鲁棒性、安全性和实用性同时为了实现外骨骼的应用推广,控制***的小型化,便携性,易于安装和维护显得越来越重要,这就要求驱动控制***在保证性能的前提下尽可能做到体积小,布线简单,易于维护。
现有的康复外骨骼嵌入式***要么采用PC机作为运动控制器及人机交互界面，***体积庞大，不便于携带；要么依靠支架等体积较大的装置来辅助使用外骨骼设备，不便于使用者进行室外康复训练。
发明内容
本发明的目的在于提供一种下肢外骨骼助残康复机器人的嵌入式控制***，以解决现有技术中***体积庞大，不便于携带，要依靠支架等体积较大的装置来辅助使用外骨骼设备，不便于使用者进行室外康复训练的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种下肢外骨骼助残康复机器人的嵌入式控制***，包括服务器/信息管理PC、ARM触摸屏模块、DSP微控制器模块、压力采集模块、陀螺仪模块、拐杖控制模块、电机驱动器模块，所述ARM触摸屏模块与服务器/信息管理PC进行信息交互，ARM触摸屏与DSP微控制器模块通讯链接，用于传输数据和指令，所述DSP微控制器模块分别与拐杖控制模块、压力采集模块、陀螺仪模块以及电机驱动器模块之间通过CAN总线相连，用于数据和指令接收或发送。
优选的，所述ARM触摸屏模块包括ARM微处理器、LCD模块、USB模块、WIFI模块；
所述ARM微处理器的数据端分别与WIFI模块和USB模块连接，ARM微处理器通过WIFI模块和USB模块与服务器/信息管理PC进行信息交互；
所述LCD模块与ARM微处理器的数据端通讯链接，用于运动参数输入、运动指令生成和发送、运动状态的显示；
所述ARM微处理器与DSP微控制器模块通讯连接，用于传输数据和指令至DSP微控制器模块。
优选的，所述DSP微控制器模块包括DSP微处理器、CAN总线接口模块，DSP微处理器与ARM微处理器通讯链接，用于接收运动参数、运动指令，CAN总线接口模块连接在DSP微处理器的数据端，用于分别通过CAN总线连接拐杖控制模块、压力采集模块、陀螺仪模块以及电机驱动器模块。
优选的，所述ARM触摸屏模块和DSP微控制器模块均包括Zigbee模块，所述ARM触摸屏模块与DSP微控制器模块之间通过Zigbee模块通讯链接。
优选的，所述电机驱动器模块包括伺服驱动器、编码器，所述伺服驱动器通过CAN总线接收DSP微控制器模块下发的运动控制指令驱动电机实现外骨骼机器人的多轴运动，所述编码器通过采集电机运动过程中的位置信息反馈给伺服驱动器，实现电机运动位置的精确控制。
优选的，所述压力采集模块采用薄膜压力传感器，通过薄膜压力传感器采集穿戴者的足底压力信息并转换成数字量通过CAN总线上传给DSP微控制器模块。
优选的，所述陀螺仪模块为电子陀螺仪芯片，通过电子陀螺仪芯片采集机器人姿态信息通过CAN总线上传给DSP微控制器模块。
优选的，所述拐杖控制模块包括有按键，通过按键将控制信息通过CAN总线向DSP微控制器模块发送外骨骼运动状态切换指令来改变外骨骼的运动状态。
优选的，所述的运动状态包括行走、收步站立、调整为准备行走状态。
优选的，所述的服务器/信息管理PC通过接收来自ARM触摸屏发送上来的运动数据，储存数据并用于分析外骨骼使用者的康复状态，对使用者的康复策略进行合理分析并将调整后的康复策略和康复报告发送给ARM触摸屏，供康复治疗师和使用者参考改进康复计划。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：实现了控制***的模块化、便携性以及对信息的有效管理；实现了在室外进行康复训练时也可以得到可视化的状态信息以及更精确的康复训练控制计划。
附图说明
图1为本发明的***结构示意图；
图2为本发明的DSP微处理器主程序流程图；
图3为本发明的ARM触摸屏主程序流程图；
图4为本发明的拐杖控制模块主程序流程图。
图中：1、服务器/信息管理PC；2、ARM触摸屏模块；3、DSP微控制器模块；4、压力采集模块；5、陀螺仪模块；6、拐杖控制模块；7、电机驱动器模块；8、ARM微处理器；9、LCD模块；10、USB模块；11、WIFI模块；12、DSP微处理器；13、CAN总线接口模块；14、Zigbee模块；15、伺服驱动器；16、编码器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种下肢外骨骼助残康复机器人的嵌入式控制***，包括服务器/信息管理PC 1、ARM触摸屏模块2、DSP微控制器模块3、压力采集模块4、陀螺仪模块5、拐杖控制模块6、电机驱动器模块7，所述ARM触摸屏模块2与服务器/信息管理PC 1进行信息交互，ARM触摸屏与DSP微控制器模块3通讯链接，用于传输数据和指令，所述DSP微控制器模块3分别与拐杖控制模块6、压力采集模块4、陀螺仪模块5以及电机驱动器模块7之间通过CAN总线相连，用于数据和指令接收或发送。
所述ARM触摸屏模块2包括ARM微处理器8、LCD模块9、USB模块10、WIFI模块11；
所述ARM微处理器8的数据端分别与WIFI模块11和USB模块10连接，ARM微处理器8通过WIFI模块11和USB模块10与服务器/信息管理PC 1进行信息交互；
所述LCD模块9与ARM微处理器8的数据端通讯链接，用于运动参数输入、运动指令生成和发送、运动状态的显示；
所述ARM微处理器8与DSP微控制器模块3通讯连接，用于传输数据和指令至DSP微控制器模块3。
所述DSP微控制器模块3包括DSP微处理器12、CAN总线接口模块13，DSP微处理器12与ARM微处理器8通讯链接，用于接收运动参数、运动指令，CAN总线接口模块13连接在DSP微处理器12的数据端，用于分别通过CAN总线连接拐杖控制模块6、压力采集模块4、陀螺仪模块5以及电机驱动器模块7。
所述ARM触摸屏模块2和DSP微控制器模块3均包括Zigbee模块14，所述ARM触摸屏模块2与DSP微控制器模块3之间通过Zigbee模块14通讯链接。
所述电机驱动器模块7包括伺服驱动器15、编码器16，所述伺服驱动器15通过CAN总线接收DSP微控制器模块3下发的运动控制指令驱动电机实现外骨骼机器人的多轴运动，所述编码器16通过采集电机运动过程中的位置信息反馈给伺服驱动器15，实现电机运动位置的精确控制。
所述压力采集模块4采用薄膜压力传感器，通过薄膜压力传感器采集穿戴者的足底压力信息并转换成数字量通过CAN总线上传给DSP微控制器模块3。
所述陀螺仪模块5为电子陀螺仪芯片，通过电子陀螺仪芯片采集机器人姿态信息通过CAN总线上传给DSP微控制器模块3。
所述拐杖控制模块6包括有按键，通过按键将控制信息通过CAN总线向DSP微控制器模块3发送外骨骼运动状态切换指令来改变外骨骼的运动状态。
所述的运动状态包括行走、收步站立、调整为准备行走状态。
所述的服务器/信息管理PC 1通过接收来自ARM触摸屏发送上来的运动数据，储存数据并用于分析外骨骼使用者的康复状态，对使用者的康复策略进行合理分析并将调整后的康复策略和康复报告发送给ARM触摸屏，供康复治疗师和使用者参考改进康复计划。
通过本技术方案，如图2至4所示，本发明嵌入式控制***的具体控制实现，上位机ARM触摸屏模块***初始化、创建线程，实现多任务调度。ARM微处理器8模块上运行有实时操作***(Linux)，负责多任务的调度和任务的执行，并通过CAN总线向下位机DSP微控制器模块3发送有特定数据格式的控制指令和控制参数。同时ARM微处理器8模块还接受下位机DSP微控制器模块3返回的下肢外骨骼助残康复机器人各关节的运动状态、位置参数、姿态等相关参数。上位机ARM微处理器模块将这些接收到的数据储存起来，在需要的时候通过WIFI或者USB上传给服务器/信息管理PC 1，供PC分析康复训练状态从而制定合理的康复训练计划。下位机DSP微控制器模块3负责接收来自上位机的控制指令和控制参数，按照规定的协议将数据进行转换，通过CAN总线发送给各伺服驱动器15。DSP微控制器模块3在执行运动控制指令的同时还要实时从压力采集模块4、陀螺仪模块5读取下肢外骨骼助残康复机器人的压力、姿态参数，从驱动器上读取由编码器16反馈的位置参数，并将这些信息储存起来，在ARM请求运动数据上传的时候反馈给上位机ARM微处理器模块。拐杖模块实现便捷操作，通过简单按键操作，实现外骨骼助残康复机器人辅助人行走的三种运动状态，包括准备行走状态、行走状态、收步站立状态。
具体操作步骤：
步骤一，上电各分层***初始化，选择ARM触摸屏控制还是拐杖控制；
步骤二，若选择ARM触摸屏控制，在配置区域配置人体参数、运动参数(步长、步高、步速)、左右腿压力阀值、左右陀螺仪角度阀值，按下运动控制指令(电机使能、电机失能、准备行走、行走、收步站立)按钮，根据特定数据格式通过Zigbee模块14发送给DSP微控制器；若选择拐杖模块控制，则表示按照已经配置好的参数执行(针对同一使用者多次训练所用)，通过左手拐杖上的单个按键实现三种运动状态切换(准备行走、行走、收步站立)，根据特定数据格式的指令参数通过CAN总线发送给DSP微控制器；
步骤三：DSP微控制器接收到来自ARM触摸屏或拐杖模块发送的指令数据执行相应的程序；若接收到来自ARM触摸屏的配置参数数据则先将参数数据写入储存器中；若接收到ARM触摸屏或拐杖模块的运动控制指令则按照规定的协议将数据进行转换，通过CAN总线发送给各伺服驱动器15；
步骤四：DSP微控制器模块3在执行运动控制指令的同时还要实时从压力采集模块4、陀螺仪模块5读取下肢外骨骼助残康复机器人的压力、姿态参数，从驱动器上读取由编码器16反馈的位置参数，根据这些信息进行步态切换，并将这些信息储存起来，在ARM请求运动数据上传的时候反馈给上位机ARM微处理器模块。
步骤五：ARM微处理器8模块通过向DSP发送运动数据上传指令，接受下位机DSP微控制器模块3返回的下肢外骨骼助残康复机器人各关节的运动状态、位置参数、姿态等相关参数，待康复训练结束或者空闲时间通过WIFI或者USB上传到服务器/信息管理PC 1。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种下肢外骨骼助残康复机器人的嵌入式控制***，其特征在于：包括服务器/信息管理PC、ARM触摸屏模块、DSP微控制器模块、压力采集模块、陀螺仪模块、拐杖控制模块、电机驱动器模块，所述ARM触摸屏模块与服务器/信息管理PC进行信息交互，ARM触摸屏与DSP微控制器模块通讯链接，用于传输数据和指令，所述DSP微控制器模块分别与拐杖控制模块、压力采集模块、陀螺仪模块以及电机驱动器模块之间通过CAN总线相连，用于数据和指令接收或发送。
2.根据权利要求1所述的一种下肢外骨骼助残康复机器人的嵌入式控制***，其特征在于：所述ARM触摸屏模块包括ARM微处理器、LCD模块、USB模块、WIFI模块；
所述ARM微处理器的数据端分别与WIFI模块和USB模块连接，ARM微处理器通过WIFI模块和USB模块与服务器/信息管理PC进行信息交互；
所述LCD模块与ARM微处理器的数据端通讯链接，用于运动参数输入、运动指令生成和发送、运动状态的显示；
所述ARM微处理器与DSP微控制器模块通讯连接，用于传输数据和指令至DSP微控制器模块。
3.根据权利要求2所述的一种下肢外骨骼助残康复机器人的嵌入式控制***，其特征在于：所述DSP微控制器模块包括DSP微处理器、CAN总线接口模块，DSP微处理器与ARM微处理器通讯链接，用于接收运动参数、运动指令，CAN总线接口模块连接在DSP微处理器的数据端，用于分别通过CAN总线连接拐杖控制模块、压力采集模块、陀螺仪模块以及电机驱动器模块。
4.根据权利要求3所述的一种下肢外骨骼助残康复机器人的嵌入式控制***，其特征在于：所述ARM触摸屏模块和DSP微控制器模块均包括Zigbee模块，所述ARM触摸屏模块与DSP微控制器模块之间通过Zigbee模块通讯链接。
5.根据权利要求1所述的一种下肢外骨骼助残康复机器人的嵌入式控制***，其特征在于：所述电机驱动器模块包括伺服驱动器、编码器，所述伺服驱动器通过CAN总线接收DSP微控制器模块下发的运动控制指令驱动电机实现外骨骼机器人的多轴运动，所述编码器通过采集电机运动过程中的位置信息反馈给伺服驱动器，实现电机运动位置的精确控制。
6.根据权利要求1所述的一种下肢外骨骼助残康复机器人的嵌入式控制***，其特征在于：所述压力采集模块采用薄膜压力传感器，通过薄膜压力传感器采集穿戴者的足底压力信息并转换成数字量通过CAN总线上传给DSP微控制器模块。
7.根据权利要求1所述的一种下肢外骨骼助残康复机器人的嵌入式控制***，其特征在于：所述陀螺仪模块为电子陀螺仪芯片，通过电子陀螺仪芯片采集机器人姿态信息通过CAN总线上传给DSP微控制器模块。
8.根据权利要求1所述的一种下肢外骨骼助残康复机器人的嵌入式控制***，其特征在于：所述拐杖控制模块包括有按键，通过按键将控制信息通过CAN总线向DSP微控制器模块发送外骨骼运动状态切换指令来改变外骨骼的运动状态。
9.根据权利要求8所述的一种下肢外骨骼助残康复机器人的嵌入式控制***，其特征在于：所述的运动状态包括行走、收步站立、调整为准备行走状态。
10.根据权利要求1所述的一种下肢外骨骼助残康复机器人的嵌入式控制***，其特征在于：所述的服务器/信息管理PC通过接收来自ARM触摸屏发送上来的运动数据，储存数据并用于分析外骨骼使用者的康复状态，对使用者的康复策略进行合理分析并将调整后的康复策略和康复报告发送给ARM触摸屏，供康复治疗师和使用者参考改进康复计划。
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