电控系统设计

3

4.1

4.2

5 6.1

7.1 8.1

6.2 6.3 6.4

7.2 8.2

1. 液压泵；2. 溢流阀；3. 单向阀；4. 过滤器；5. 蓄能器；6. 伺服阀；7. 膝关节液压缸；

8. 髋关节液压缸

图 2.21 下肢外骨骼液压系统原理图

2.4.2 电控系统设计

下肢外骨骼机器人电控系统由硬件系统和软件系统两部分组成。硬件部分包 含 PC 机、实时控制器 CompactRIO、单关节伺服控制硬件及各类传感器，如图 2.22 所示，主要包含三部分：第一部分，也是最核心的部分，人机交互系统，主 要用来实现对人体运动意图的推测，外骨骼机器人不同于传统工业机器人的一点 就是没有了理想轨迹指令的输入，即机器人的轨迹需要实时通过与人的交互来得 到，该部分主要包含多维力传感器模块、脚底多传感器系统模块；第二部分，是 最基础的部分，单关节伺服控制系统，对于液压系统的力跟随、位置跟随主要在 该部分实现，系统性能的好坏与该部分控制器的设计有直接关联；第三部分，是 任务最为繁重的部分，上位机系统，主要是基于 CompactRio 实时控制器，主要 实现系统参数的指定、上层控制器的设计、反馈信息的图像显示等。

图 2.22 下肢外骨骼硬件系统

CompactRIO 实时控制器主要由三部分组成：1）实现信号传输与逻辑处理的 嵌入式模块；2）实现信号处理、过滤、自定义协议及复杂控制算法的 FPGA 模 块；3）用于连接数字量或模拟量信号等类别传感器或设备的工业 IO 模块。所有 的硬件模块都可以通过 LabVIEW 软件进行重新配置，可以快速构成稳定可靠的 控制平台。下肢外骨骼所采用的 CompactRio 实时控制器主要包含一块主控制器 NI-9031，两块模拟输入模块 NI9205，两块数字输入模块 NI9403，两块模拟输出 模块 NI9264。其中，NI-9031 具有 1.33GHz 双核 Intel Atom 处理器、4GB 非易失 性存储、1GB DDR3 RAM，含有 Xilinx Kintex-7 70T FPGA 可实现高速控制、在 线处理和自定义定时和触发，具有两个千兆以太网、两个 USB 高速主机、一个 USB 设备和两个串行端口连接选项。

浙江大学博士学位论文 第 2 章 液压驱动下肢外骨骼平台优化

图 2.23 CompactRio 实时控制器

下肢外骨骼机器人核心技术之一是对人体运动意图的推测，课题前期选择了 最为直观的检测人体运动意图的方法：力传感器检测。课题选用了多维力传感器 检测人机交互力，从而降低不同维间力的耦合效应。在下肢外骨骼机器人的控制 算法中，位置跟踪和力跟踪是常见的方法，为了实现对当前关节位置的检测，课 题在膝关节及髋关节的主动自由度上面安装了角编码器。课题组选用的六维力传 感器是由合肥旭宁科技有限公司生产，具体性能指标如下表：

表 2.3 多维力传感器技术参数

指标 参数

尺寸 Φ30mmx24.5mm

量程 Fxy: 100N;Fz: 200N；

Mxy: 105N.cm; Mz: 300N.cm

综合精度 ≤3%F.S.

灵敏度 ≤0.1%F.S.

供电电压 DC -15V/+15V/+5V

模拟信号输出范围 -10V~10V

多维力传感器的组成及安装示意图如图 2.24：

(a) 多维力传感器安装 （b）信号处理器及电源盒 图 2.24 多维力传感器

伺服阀及伺服阀放大板是实现对液压缸控制的核心器件，如图 2.25。本课题 选用了英国 Star-200 的伺服阀，该伺服阀重量轻、结构紧凑，适合于可穿戴设备，

其动态响应如图 2.26。在伺服阀的频宽大致近于液压系统固有频率时，通常将伺 服阀看作为二阶振荡系统，通过对动态响应曲线进行分析，可以得出伺服阀的固 有频宽约为 14.5Hz。由于 CompactRIO 控制器输出的控制信号功率较小，一般都 要选用伺服放大板实现对控制信号的功率放大，同时由于控制器的输出信号与伺 服阀的输入信号类别不一致，也需要通过伺服放大板进行信号转换。

(a) Star-200 (b) 伺服阀放大板 图 2.25 伺服阀及放大板

图 2.25（b）中包含两块伺服阀放大板，其中右侧较大块板卡是伺服阀自带的 放大板，面积较大，板上通用模块较多，左侧是进行优化后的自制伺服阀放大板，

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面积显著减小，集成度得到提高。

Ratedoutput/%

图 2.26 Star-200 伺服阀阶跃响应

软件系统包括上位机交互界面及下位机实时控制算法，其中下位机包含运算 与通信模块、数据采集模块和控制输出模块。以上算法都基于 LabVIEW 进行编 写。如图 2.27 所示的下肢外骨骼软件系统，穿戴者可以通过 PC 机的人机交互界 面调整控制参数或观察运行反馈信息，由于 FPGA 的资源有限，将数据的采集及 处理主要布置在 FPGA 模块中，嵌入式控制器则负责主要的控制算法。

图 2.27 下肢外骨骼软件系统

由于在下肢外骨骼机器人开发过程中，控制参数经常需要调整，传感器的反 馈数据以及人体的步态等信息也需要实时地在显示屏上进行显示，因此在 PC 机 上开发了调试面板。

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图 2.28 PC 人机交互界面

图 2.28 所示的人机交互界面主要包含以下几个子功能：（1）系统参数设置，

用于设置 FPGA 的采样周期、系统的控制周期等参数；（2）数据保存，用于指定 数据保存的时间；（3）下肢控制界面，该界面可以实现对关节零位的设定，发出 特定的控制信号给伺服阀，以及调整控制器参数；（4）轨迹跟踪等图像显示，实 现传感器等反馈信息以及各关节运动轨迹的图形化显示；（5）人机交互界面，用 于调整多维力传感器的零漂，调整人机交互的参数设置以及显示多维力传感器的 数值。