一种下肢行走康复训练机器人控制系统技术方案

一种下肢行走康复训练机器人控制系统，采用了上、下位机两级控制结构的全闭环系统。下肢行走康复训练机器人驱动各个关节运动气缸的PWM应用回路采用全桥模式，每个关节气缸需要4个高速开关电磁阀来调控其位移，进而要求单片机能够产生至少4个PWM输出。该控制系统可以实现对机器人样机腿部关节运动轨迹的有效控制，为下一步深入研究如何进行人机协调控制，提高康复训练效果奠定了基础。

A robot control system for lower limb walking rehabilitation training

A robot control system for the rehabilitation training of lower limb walking is made, and the full closed loop system of the two level control structure of the upper and lower machines is adopted. The PWM application loop for each joint motion cylinder driven by the walking rehabilitation training robot is a full bridge mode. Each joint cylinder needs 4 high-speed solenoid valves to control its displacement, and then requires the microcontroller to generate at least 4 PWM outputs. The control system can effectively control the leg joint movement trajectory of robot prototype, and lay the foundation for further research on how to carry out man-machine coordination control and improve rehabilitation training effect.

【技术实现步骤摘要】
一种下肢行走康复训练机器人控制系统所属
本专利技术涉及一种下肢行走康复训练机器人控制系统，适用于机械领域。
技术介绍
现代社会由于脊柱损伤(SpinalCordInjury,SCI)，脑卒、意外事故伤害等原因造成人体的神经受损，进而引发人体运动功能障碍已成为一种常见的疾病。目前，减重步态训练是下肢偏瘫患者康复治疗普遍采用的有效方法之一，这种康复方式对中风和不完全脊柱损伤等有特殊的疗效，其康复效果已经得到国内外众多医学专家的普遍认同。目前由于大多数临床医院所采用是在康复专业理疗师手把手的指导下完成正确的行走步态。这种传统的减重步态训练的效果在很大程度上取决于理疗师的经验和水平，而且具有效率低且工作强度大，训练参数不确定性等缺点。制约了康复训练效率的提高和方法的改进。针对现有减重康复训练的不足，将机器人技术引入到下肢康复训练中具有重要的现实意义。
技术实现思路
本专利技术提出了一种下肢行走康复训练机器人控制系统，该控制系统可以实现对机器人样机腿部关节运动轨迹的有效控制，为下一步深入研究如何进行人机协调控制，提高康复训练效果奠定了基础。本专利技术所采用的技术方案是：所述下肢行走康复训练机器人的控制系统采用了上、下位机两级控制结构的全闭环系统。下肢行走康复训练机器人驱动各个关节运动气缸的PWM应用回路采用全桥模式，每个关节气缸需要4个高速开关电磁阀来调控其位移，进而要求单片机能够产生至少4个PWM输出。所述控制系统的主控制器采用了C8051F040单片机，该单片机具有以下特点：资源丰富，可提供6个PWM(大于4个)和1路CAN总线接口，且运行速度快，支持汇编和C51编程，控制灵活，价格低廉。在基于C8051F040单片机的下位机控制系统中，利用了CAN总线进行各个控制器之间的交互通信，采用了FT245RL并口转USB高速通信芯片与上位机(Lab-VIEW程序设计)通信。依据机器人的助行腿机械结构并方便下位机程序设计，机器人助行腿的双腿共有4个主要关节(膝关节和髓关节)分别用4个独立的控制器控制。同时由于CAN总线不能直接与PC通信，采用1个控制器作为服务器，中转CAN数据流到USB串行数据流。所述整个步态康复训练机器人控制系统是以C8051F040微处器为控制核心，单块控制板主要包括以下几个模块：JTAG模块、A/D采样模块、PWM模块、USB通信模块、CAN通信模块、扩展模块。其中JTAG模块用于上位机向控制板下载程序之用，A/D采样模块主要是对机器人的传感器信号以及机器人的运动轨迹采集存储，PWM模块把脉宽调制PWM信号进行放大驱动高速开关电磁阀，串行通信模块和CAN通信模块实现主控制板与PC机之间和各个控制板之间控制信息、数据的传递，扩展模块作为系统的功能扩展的备用。所述机器人采用气压作为动力源，对此气压动力系统来说高速开关电池阀的控制尤为重要，PWM(PulseWidthModulated)为脉宽调制，及其输出方波可改变占空比。C8051F040中的可编程计数器阵列(PCA)提供了增强型计数器功能，PCAO提供了1个16为定时/计数器和6个捕捉/比较模块，每个模块都有独立的I/O口。PCAO的工作模式可以设定为8位或16位PWM输出模式。其占空比都是随着PCAO相对应计数器的改变而变化。所述PWM输出部分是电路设计能否成功的关键，该电路是整个系统的主要部分，它用来醒动固态继电器，进而分别控制系统中高速开关阀的占空比来调整机器人的行走步态。在该部分电路设计中主要考虑以下几个方面的因素：电流过大、电流波动和电磁干扰。采用了同相器74HC07作为信号放大芯片和光电隔离芯片TLP521进行有效地隔离，并在PWM输出端口处并联一个电阻来吸收自感电流。所述下肢行走康复训练机器人驱动各个关节运动气缸的PWM应用回路采用全桥模式。在系统控制运行期间，依照正常人的行走一个步态的时间周期和考虑到患者的实际康复情况，由基于C8051F040单片机的微控制器由内部定时器产生周期为5s，每隔100ms采一个样点的采样时间中断，整个程序是按着周期循环顺序执行的模式进行控制。在系统的每个采样时间里，下位机C8051F040微控制器通过接受上位机(LabVIEW程序设计)-PC机的模式控制命令进入相应的程序控制模块，同时把传感器的数据信息转换成机器人相应的位置信息，综合高速开关电磁阀的开关状态并且运用基于模糊控制算法运算得到各个关节的控制量，即PWM的占空比，再经过驱动放大电路模块实现对气缸的控制。本专利技术的有益效果是：该控制系统可以实现对机器人样机腿部关节运动轨迹的有效控制。为下一步深入研究如何进行人机协调控制，提高康复训练效果奠定了基础。附图说明图1是本专利技术的单关节（气缸）驱动控制原理图。图2是本专利技术的下肢行走康复训练机器人系统的总体控制方案结构图。图3是本专利技术的PWM电路原理图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。如图1，下肢行走康复训练机器人的控制系统采用了上、下位机两级控制结构的全闭环系统。下肢行走康复训练机器人驱动各个关节运动气缸的PWM应用回路采用全桥模式，每个关节气缸需要4个高速开关电磁阀来调控其位移，进而要求单片机能够产生至少4个PWM输出。如图2，控制系统的主控制器采用了C8051F040单片机，该单片机具有以下特点：资源丰富，可提供6个PWM(大于4个)和1路CAN总线接口，且运行速度快，支持汇编和C51编程，控制灵活，价格低廉。在基于C8051F040单片机的下位机控制系统中，利用了CAN总线进行各个控制器之间的交互通信，采用了FT245RL并口转USB高速通信芯片与上位机(Lab-VIEW程序设计)通信。依据机器人的助行腿机械结构并方便下位机程序设计，机器人助行腿的双腿共有4个主要关节(膝关节和髓关节)分别用4个独立的控制器控制。同时由于CAN总线不能直接与PC通信，采用1个控制器作为服务器，中转CAN数据流到USB串行数据流。整个步态康复训练机器人控制系统是以C8051F040微处器为控制核心，单块控制板主要包括以下几个模块：JTAG模块、A/D采样模块、PWM模块、USB通信模块、CAN通信模块、扩展模块。其中JTAG模块用于上位机向控制板下载程序之用，A/D采样模块主要是对机器人的传感器信号以及机器人的运动轨迹采集存储，PWM模块把脉宽调制PWM信号进行放大驱动高速开关电磁阀，串行通信模块和CAN通信模块实现主控制板与PC机之间和各个控制板之间控制信息、数据的传递，扩展模块作为系统的功能扩展的备用。如图3，机器人采用气压作为动力源，对此气压动力系统来说高速开关电池阀的控制尤为重要，故本文重点介绍控制板中PWM模块的设计。PWM(PulseWidthModulated)为脉宽调制，及其输出方波可改变占空比。C8051F040中的可编程计数器阵列(PCA)提供了增强型计数器功能，PCAO提供了1个16为定时/计数器和6个捕捉/比较模块，每个模块都有独立的I/O口。PCAO的工作模式可以设定为8位或16位PWM输出模式。其占空比都是随着PCAO相对应计数器的改变而变化。PWM输出部分是电路设计能否成功的关键，该电路是整个系统的主要部分，它用来醒动固态继电器，进而分别控制系统中高速开关阀的占空比本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种下肢行走康复训练机器人控制系统，其特征是：所述下肢行走康复训练机器人的控制系统采用了上、下位机两级控制结构的全闭环系统，下肢行走康复训练机器人驱动各个关节运动气缸的PWM应用回路采用全桥模式，每个关节气缸需要4个高速开关电磁阀来调控其位移，进而要求单片机能够产生至少4个PWM输出。

【技术特征摘要】
1.一种下肢行走康复训练机器人控制系统，其特征是：所述下肢行走康复训练机器人的控制系统采用了上、下位机两级控制结构的全闭环系统，下肢行走康复训练机器人驱动各个关节运动气缸的PWM应用回路采用全桥模式，每个关节气缸需要4个高速开关电磁阀来调控其位移，进而要求单片机能够产生至少4个PWM输出。2.根据权利要求1所述的一种下肢行走康复训练机器人控制系统，其特征是：所述控制系统的主控制器采用了C8051F040单片机，该单片机资源丰富，可提供6个PWM(大于4个)和1路CAN总线接口，且运行速度快，支持汇编和C51编程，控制灵活，价格低廉。3.根据权利要求1所述的一种下肢行走康复训练机器人控制系统，其特征是：所述整个步态康复训练机器人控制系统是以C8051F040微处器为控制核心，单块控制板主要包括JTAG模块、A/D采样模块、PWM模块、USB通信模块、CAN通信模块、扩展模块。4.根据权利要求1所述的一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：李忠久，
申请(专利权)人：李忠久，
类型：发明
国别省市：辽宁,21