[实用新型]外骨骼机器人驱动控制器

说明书

（一）、技术领域：

本实用新型涉及一种机器人驱动控制器，特别涉及一种外骨骼机器人驱动控制器。

（二）、背景技术：

外骨骼机器人实质上是一种可穿戴机器人，它将人的智能与外部机械动力装置的机械能量结合在一起，可以给人提供额外的动力或能力。由于其安装位置和产生的作用和生物界中的骨骼很相似，故将其称为外骨骼机器人。它不仅能帮助残疾人恢复行走能力，还可避免患者因长时间坐在轮椅上而生压疮，同时还可以改善心脏健康状况、锻炼肌肉强度、缓解抑郁症等。

随着外骨骼机器人的研究和应用的不断推广，电机作为动力单元，越来越广泛地被使用，对电机驱动器和控制器的要求也越来越高，尤其是对机器人电控系统的动态响应速度和运动精度的要求也越来越高。因此，机器人控制系统必须既具备较高的驱动能力和好的控制算法，同时还要保证在恶劣环境下安全可靠的运行，这就对控制器的开发与设计提出了很大的挑战。然而，现有控制系统大多都是驱动器与控制器分离，尺寸较大，精度较差，而且连接相对复杂，不利于在安装尺寸受限的密闭空间内装配。

根据外骨骼机器人的实际工作特性，其理想的控制系统应该使用分布式控制系统架构。即，控制系统有一个中央控制单元，负责机器人运动参数的正逆学解算、发送关节运动参数，统一调配各个关节按照预定轨迹运行、与外部设备进行数据通信，便于实时掌握机器人的运行参数，形成大数据库，增强控制系统的自学习能力。每个关节都有一个驱动控制器，它包含独立的控制单元和驱动单元。关节驱动控制器在接受到中央控制单元的参数后，按照既定轨迹参数驱动关节运动，并且，对中央控制单元的输入参数和光电编码器实际测试位置参数实现闭环控制，以保证驱动控制器的控制精度。从上述特性可以看出。外骨骼机器人的驱动控制器必须具备较强的通信容错能力、驱动能力强、动作响应精确快速、有过流、过压、过热等保护，防止意外情况的发生。

为了实现这种理想的外骨骼机器人关节驱动方式，需要比较复杂的控制电路和驱动电路设计。目前行业内关节驱动器各式各样，从机器人控制算法的处理方式来看,可分为串行、并行两种处理结构。

所谓的串行处理结构是指机器人的控制算法是由串行机来处理，对于这种类型的控制器,从计算机结构、控制方式来划分,又可分为以下几种：

(1) 单CPU结构、集中控制方式：

用一台功能较强的计算机实现全部控制功能。但控制过程中需要许多计算(如坐标变换),因此这种控制结构速度较慢。

(2) 二级CPU结构、主从式控制方式：

一级CPU为主机，担当系统管理、机器人语言编译和人机接口功能,同时也利用它的运算能力完成坐标变换、轨迹插补,并定时地把运算结果作为关节运动的增量送到公用内存,供二级CPU读取；二级CPU完成全部关节位置数字控制。这类系统的两个CPU总线之间基本没有联系，仅通过公用内存交换数据,是一个松耦合的关系。对采用更多的CPU进一步分散功能是很困难的。

(3) 多CPU结构、分布式控制方式

目前,普遍采用这种上、下位机二级分布式结构,上位机负责整个系统管理以及运动学计算、轨迹规划等。下位机由多CPU组成,每个CPU控制一个关节运动,这些CPU和主控机联系是通过总线形式的紧耦合。这种结构的控制器工作速度和控制性能明显提高，但这些多CPU系统共有的特征都是针对具体问题而采用的功能分布式结构,即每个处理器承担固定任务。

以上几种类型的控制器存在一个共同的弱点:计算负担重、实时性差。所以大多采用离线规划和前馈补偿解耦等方法来减轻实时控制中的计算负担。当机器人在运行中受到干扰时其性能将受到影响,更难以保证高速运动中所要求的精度指标。

构造并行处理结构的机器人控制器一般采用专门开发的专用VLSI，专用VLSI能充分利用机器人控制算法的并行性，芯片内的并行体系结构易于解决机器人控制算法中大量出现的计算，能大大提高运动学、动力学方程的计算速度。但由于专用VLSI是根据具体的算法来设计的，当算法改变时，芯片则不能使用,因此，采用这种方式构造的控制器不通用，更不利于系统的维护与开发。

（三）、实用新型内容：

实用新型要解决的技术问题是：提供一种控制精确、可靠，且响应速度快的外骨骼机器人驱动控制器。

本实用新型的技术方案：