[发明专利]外骨骼机器人的嵌入式系统

权利要求书

1.一种外骨骼机器人的嵌入式系统，其特征在于，包括：主控处理器、传感信号数字处理器DSP、蓝牙电路、若干传感器、CAN控制器、CAN总线收发器和执行驱动电路，其中：主控处理器分别与传感信号数字处理器和CAN控制器相互通讯，蓝牙电路的输入端和输出端分别与各个传感器和传感信号数字处理器相通讯，CAN总线收发器的接收端和发送端分别与CAN总线和CAN控制器相连，执行驱动电路与CAN总线相连；

执行驱动电路包括：若干伺服驱动器、若干分别设于外骨骼机器人的左、右髋关节、膝关节以及踝关节的伺服电机，其中：各个伺服电机由一个对应的连接于CAN总线上的伺服驱动器控制；

蓝牙电路包括：主电路和若干分别与各个传感器相通讯的从电路，其中：主电路和各个从电路相通讯，或者部分从电路与主电路直接通讯，其余部分的从电路与主电路由主从转换中继电路相通讯；其中：主电路包括设置于人体腰部位置的嵌入式处理器、主蓝牙收发器、主基带信号处理器、主数字无线处理电路、主数控振荡电路、主射频收发开关切换电路、片外扩展大容量RAM和串行通信UART，其中：嵌入式处理器分别与主基带信号处理器和片外扩展大容量RAM以及串行通信UART相通讯，串行通信UART与传感信号数字处理器DSP相通讯，主蓝牙收发器与主基带信号处理器相连，主数控振荡电路和主射频收发开关切换电路分别与主数字无线处理电路相连；从电路包括：从数字无线处理电路、从数控振荡电路、从射频收发开关切换电路、从蓝牙收发器和从基带信号处理器，其中：从数控振荡电路和从射频收发开关切换电路分别与从数字无线处理电路相连，从蓝牙收发器分别与从基带信号处理器和各个传感器相通讯，从基带信号处理器分别与从数字无线处理电路和各个主电路的嵌入式处理器相连。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的传感信号数字处理器包括：数字信号处理器、SPI接口、UART接口，其中：SPI接口、UART接口分别与数字信号处理器相连，数字信号处理器通过SPI接口与主控处理器相通讯，数字信号处理器通过UART接口与蓝牙电路的串行通信UART相连。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征是，所述的CAN控制器包括：CAN总线通信接口电路、串口收发器、CAN总线光电隔离电路，其中：串口收发器、CAN总线光电隔离电路分别与CAN总线通信接口电路相连，CAN总线通信接口电路通过串口收发器与主控处理器相连，CAN总线光电隔离电路与CAN总线收发器相连，CAN总线控制器通过CAN总线光电隔离电路相连以实现总线上各节点间的电气隔离。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征是，所述的若干传感器包括：分别设于人体髋部、大腿、小腿、足底位置的测量人体关节运动角度的MEMS陀螺仪和加速度传感器、足底压力传感器、接触力传感器。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征是，所述的执行驱动电路的伺服驱动器为设有增量式编码反馈信息子电路的直流式伺服驱动器。

6.一种基于上述权利要求所述系统的控制方法，其特征在于，蓝牙电路的各个从电路收集相应的传感器的传感信息，传感信息通过主电路传输至传感信号数字处理器，传感信号数字处理器通过MEMS陀螺仪和加速度传感器获取的人体髋部、下肢大小腿及足部的加速度传感数据、下肢大小腿及足部的角速度信息，得到人体髋关节、下肢膝关节及踝关节的角度值，并将该角度值以及足底压力传感器、接触力传感器获取的压力信号传输至主控处理器，主控处理器融合角度值和压力信号得到人体的零力矩点ZMP，Zero Moment Point，ZMP作为外骨骼机器人ZMP的参考输入，控制执行驱动电路生成驱动信号，从而控制外骨骼机器人ZMP保持在外骨骼机器人足部与地面接触所确定的支撑区域，即单足支撑时，支撑区域位于支撑足的脚印内；双足支撑时，支撑区域位于双足与接触的地面形成的支撑多边形以内。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征是，所述的得到人体髋关节、下肢膝关节及踝关节的角度值的计算方法是：基于人体髋部、下肢大小腿及足部的加速度传感数据计算得到下肢大小腿及足部的倾斜度信息，基于陀螺仪获取的下肢大小腿及足部的转动角速度信号积分计算得到下肢各部分肢体的转动角度信息，再将倾斜度信息与转动角度信息经加权平均法得到平均倾斜角，将下肢肢体两两相连部分的平均倾斜角经差值计算可分别得到髋关节、膝关节及踝关节的角度值。