本发明专利技术涉及连杆关节一体化液压驱动外骨骼控制系统及其控制方法，控制系统包括上位机及其外围扩展模块，上位机输出端分别与伺服电机驱动模块、能量回收控制模块及关节驱动模块输入端相连，上位机输入端分别与步态信息检测模块、位移传感器检测模块及压力传感器检测模块输出端相连。本发明专利技术公开了下肢外骨骼助力机器人的控制系统与控制方法。本连杆关节一体化外骨骼采用液压方式驱动各关节，采用足底压力传感器及腰部陀螺仪检测人体步态信息，采用各伺服比例阀对各关节液压缸的推杆位移进行伺服控制，采用能量回收控制模块提高能耗利用率，满足下肢外骨骼跟随人体运动过程中响应速度快、控制精度高及能效比高的要求。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及外骨骼助力机器人的控制系统
，具体说是连杆关节一体化液压驱动外骨骼控制系统。
技术介绍
下肢外骨骼助力机器人主要用于助老、助残行走或协助人进行崎岖路面远距离行走或远距离重物搬运工作，要求外骨骼能快速跟随人体关节运动，并根据行走需求提供合适助力。国内外涉及下肢外骨骼机器人的专利和论文主要有以下几项：申请号为200980118130.2的中国专利：通过使用下肢外骨骼来减少人的能量消耗的设备和方法，另外，论文《7-DOF下肢外骨骼机器人驱动系统的设计与仿真》也是现有技术。然而上述的现有技术中并不具备用于检测人机交互信息和人体运动姿态的感知模块以及防摔倒检测模块，随着智能化技术的发展与更多为人性化考虑的设计，人机交互信息和人体运动姿态的感知模块逐渐成为了类似技术中的急需具备的技术，能为使用者带来非常实用和便捷的体验，防摔倒检测功能也是老年用户所必须的智能技术，能使下肢外骨骼助力设备在老年人用品市场具有极强的实用性优势。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供连杆关节一体化液压驱动外骨骼控制系统。该控制系统包括位置伺服控制、系统压力调节及能量回收，能精确控制执行元件运动，降低系统能耗。本专利技术所要解决的技术问题具体采用以下技术方案来实现：连杆关节一体化液压驱动外骨骼控制系统，包括上位机、步态信息检测模块、伺服电机驱动模块、能量回收控制模块、关节驱动控制模块、位移传感器检测模块及压力传感器检测模块，所述上位机输出端分别与伺服电机驱动模块、能量回收控制模块及关节驱动控制模块输入端相连，上位机输入端分别与步态
信息检测模块、位移传感器检测模块及压力传感器检测模块输出端相连。所述步态信息检测模块包括足底压力传感器、腰部陀螺仪、无线传输模块和两个分别连接在足底压力传感器与无线传输模块之间、腰部陀螺仪及无线传输模块之间的一号下位机、二号下位机，所述无线传输模块与上位机相连。所述关节驱动控制模块包括四条结构相同的液压支路，四条液压支路分别对应包括一号伺服比例阀和与一号伺服比例阀连接的左髋关节液压缸、二号伺服比例阀和与二号伺服比例阀连接的左膝关节液压缸、三号伺服比例阀和与三号伺服比例阀连接的右膝关节液压缸、四号伺服比例阀和与四号伺服比例阀连接的右髋关节液压缸，所述一号伺服比例阀、二号伺服比例阀、三号伺服比例阀和四号伺服比例阀共同连接有一个D/A转换装置，所述D/A转换装置连接在上位机上。所述能量回收控制模块包括两个结构相同的子模块，两个子模块分别对应包括一号蓄能器和二号蓄能器，所述一号蓄能器连接有一号电磁换向阀和一号液控换向阀、所述二号蓄能器连接有二号电磁换向阀和二号液控换向阀，所述一号液控换向阀和二号液控换向阀均与上位机相连。所述伺服电机驱动模块包括伺服电机和与伺服电机相连的变量泵。所述位移传感器检测模块包括一号位移传感器、二号位移传感器、三号位移传感器和四号位移传感器。所述压力传感器检测模块包括一号压力传感器、二号压力传感器、三号压力传感器、四号压力传感器、五号压力传感器、六号压力传感器、七号压力传感器和八号压力传感器。连杆关节一体化液压驱动外骨骼控制系统的控制方法，包括以下步骤：1、行走步态信息检测：所述一号下位机和二号下位机分别对应采集足底压力传感器及腰部陀螺仪的反馈信息，综合判定下肢外骨骼当前步态，利用无线传输模块传递至上位机内；2、电液驱动系统功率设定：利用上位机采集位移传感器检测模块和压力传感器检测模块的数据信息，分析下肢外骨骼所处步态和助力需求，通过调整上位机的脉宽调制功能输出的PWM信号占空比，调整伺服电机转速，从而调整变量泵流量；3、蓄能器工作模式匹配：利用上位机采集位移传感器检测模块和压力传感器检测模块的数据信息，分析下肢外骨骼所处步态和需求，由上位机输出的I/O量控制一号电磁换向阀和二号电磁换向阀，使能一号蓄能器和二号蓄能器进行能量供给或能量收集动作；4、执行机构位置、速度伺服：分析下肢外骨骼所处步态，同时进行下一时刻的步态规划，由上位机输出控制信号给各伺服比例阀，控制油液流量，从而控制对应的各关节液压缸完成位置与力调整的伺服驱动；5、执行机构助力位置检测：根据下肢外骨骼规划的步态，由各个位移传感器反检测对应各关节液压缸的推杆所到达位置，然后根据规划的步态与实际各推杆所处位置之间的差距，匹配合适的助力效果。在所述能量回收控制模块工作时，当所述步态信息检测模块工作中检测到人体处于一条腿支撑，另一条腿离开地面状态时，主回路切换至所述能量回收控制模块，供给对应关节驱动模块流量和压力油液，当所述步态检测模块检测到人体处于一条腿支撑，另一条腿接触地面状态时，主回路切换至所述能量回收控制模块，储存对应关节驱动模块多余油液。所述上位机根据当前步态信息及规划的下一时刻步态信息，输出控制信号给外部D/A转换模块，D/A转换模块输出模拟信号控制各伺服比例阀流量，从而控制对应各关节液压缸的推杆运动速度。所述位移传感器检测模块采用各位移传感器反馈对应各关节液压缸的推杆位移信息给上位机，由上位机内部A/D转换后存于内存中。所述压力传感器检测模块采用各压力传感器反馈各关节液压缸进出油口油液压力信息给上位机，由上位机内部A/D转换存于内存中。本专利技术的有益效果是：1.本专利技术具备对下肢外骨骼的力/位混合控制作用，能有效将电液伺服驱动系统的输出与人体行走助力所需的力、速度相匹配，以达到合适的助力效果。2.本专利技术能够根据人体运动信息检测探知人体运动信息意图和助力需求，并控制电液伺服驱动系统输出功率的分配，匹配人体助力需求功率。3.本专利技术控制电液伺服驱动系统能量回收控制模块的工作模式和工作状态，具备能量实时回收和快速释放的功能，可提高系统能量利用效率。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。图1是本专利技术的连接关系示意图；图2是本专利技术的液压系统连接关系图；图3是本专利技术的控制流程图。具体实施方式为了使本专利技术实现的技术手段和创作特征易于明白了解，下面对本专利技术进一步阐述。如图1所示，连杆关节一体化液压驱动外骨骼控制系统，包括上位机1、步态信息检测模块2、伺服电机103驱动模块3、能量回收控制模块4、关节驱动控制模块5、位移传感器检测模块6及压力传感器检测模块7，所述上位机1输出端分别与伺服电机103驱动模块3、能量回收控制模块4及关节驱动控制模块5输入端相连，上位机1输入端分别与步态信息检测模块2、位移传感器检测模块6及压力传感器检测模块7输出端相连。所述步态信息检测模块2包括足底压力传感器、腰部陀螺仪、无线传输模块和两个分别连接在足底压力传感器与无线传输模块之间、腰部陀螺仪及无线传输模块之间的一号下位机、二号下位机，所述无线传输模块与上位机1相连，上位机1根据收到的信号综合判定下肢外骨骼所处步态。所述足底压力传感器包括鞋底、九号压力传感器及微控制器。所述关节驱动控制模块5包括四条结构相同的液压支路，四条液压支路分别对应包括一号伺服比例阀3011和与一号伺服比例阀3011连接的左髋关节液压缸3031、二号伺服比例阀3012和与二号伺服比例阀3012连接的左膝关节液压缸3032、三号伺服比例阀3013和与三号伺服比例阀3013连接的右膝关节液压缸3033、四号伺服比例阀3014和与四号本文档来自技高网...
【技术保护点】
连杆关节一体化液压驱动外骨骼控制系统，包括上位机(1)、步态信息检测模块(2)、伺服电机(103)驱动模块(3)、能量回收控制模块(4)、关节驱动控制模块(5)、位移传感器检测模块(6)及压力传感器检测模块(7)，其特征在于：所述上位机(1)输出端分别与伺服电机(103)驱动模块(3)、能量回收控制模块(4)及关节驱动控制模块(5)输入端相连，上位机(1)输入端分别与步态信息检测模块(2)、位移传感器检测模块(6)及压力传感器检测模块(7)输出端相连。
【技术特征摘要】
1.连杆关节一体化液压驱动外骨骼控制系统，包括上位机(1)、步态信息检测模块(2)、伺服电机(103)驱动模块(3)、能量回收控制模块(4)、关节驱动控制模块(5)、位移传感器检测模块(6)及压力传感器检测模块(7)，其特征在于：所述上位机(1)输出端分别与伺服电机(103)驱动模块(3)、能量回收控制模块(4)及关节驱动控制模块(5)输入端相连，上位机(1)输入端分别与步态信息检测模块(2)、位移传感器检测模块(6)及压力传感器检测模块(7)输出端相连。2.根据权利要求1所述的连杆关节一体化液压驱动外骨骼控制系统，其特征在于：所述步态信息检测模块(2)包括足底压力传感器、腰部陀螺仪、无线传输模块和两个分别连接在足底压力传感器与无线传输模块之间、腰部陀螺仪及无线传输模块之间的一号下位机、二号下位机，所述无线传输模块与上位机(1)相连。3.根据权利要求1所述的连杆关节一体化液压驱动外骨骼控制系统，其特征在于：所述关节驱动控制模块(5)包括四条结构相同的液压支路，四条液压支路分别对应包括一号伺服比例阀(3011)和与一号伺服比例阀(3011)连接的左髋关节液压缸(3031)、二号伺服比例阀(3012)和与二号伺服比例阀(3012)连接的左膝关节液压缸(3032)、三号伺服比例阀(3013)和与三号伺服比例阀(3013)连接的右膝关节液压缸(3033)、四号伺服比例阀(3014)和与四号伺服比例阀(3014)连接的右髋关节液压缸(3034)，所述一号伺服比例阀(3011)、二号伺服比例阀(3012)、三号伺服比例阀(3013)和四号伺服比例阀(3014)共同连接有一个D/A转换装置，所述D/A转换装置连接在上位机(1)上。4.根据权利要求1所述的连杆关节一体化液压驱动外骨骼控制系统，其特征在于：所述能量回收控制模块(4)包括两个结构相同的子模块，两个子模块分别对应包括一号蓄能器(2051)和二号蓄能器(2052)，所述一号蓄能器(2051)连接有一号电磁换向阀(2011)和一号液控换向阀(2031)、所述二号蓄能器(2052)连接有二号电磁换向阀(2012)和二号液控换向阀(2032)，所述一号液控换向阀(2031)和二号液控换向阀(2032)均与上位机(1)相连。5.根据权利要求1所述的连杆关节一体化液压驱动外骨骼控制系统，其特
\t征在于：所述伺服电机(103)驱动模块(3)包括伺服电机(103)和与伺服电机(103)相连的变量泵(106)。6.根据权利要求1所述的连杆关节一体化液压驱动...
【专利技术属性】
技术研发人员：汪步云，许德章，汪志红，刘国强，杨伟超，胡飞，王毓，
申请(专利权)人：芜湖安普机器人产业技术研究院有限公司，安徽工程大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34
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