外骨骼(Exoskeleton)一词源于生物学，指昆虫和甲壳类动物的坚硬外壳。与仿生学密切相关的外骨骼机器人是一种可穿戴的机电一体化系统，它能支撑、保护使用者并为其提供额外动力^[1]。该技术具有潜在的研究价值和广阔的应用前景。比如，在家居领域可协助老人或体弱者行走，在医疗领域可协助残疾人进行康复训练。当然，用于“治疗”的技术往往可以用于“增强”，外骨骼机器人的使用对象还可以是消防员、士兵等。

外骨骼机器人技术涉及的学科领域众多，随着材料学、机电工程学、微电子学、控制理论、信息处理、机械仿生学、医学等相关领域的发展，该技术不断取得进步，但是现阶段仍未能大规模商用化。这是由于外骨骼机器人技术复杂，需要突破的关键技术较多，如机械结构设计的合理性，材料的强韧性和轻便性，驱动的安全性和高效性，控制的实时性和智能性^[2]。若在未来需要实现脑机交互的功能，则还需攻克神经生理学和医学等方面的难题。

在知识密集型经济和全球化浪潮的影响下，外骨骼机器人技术成为新的研究热点，众多潜在的应用需求驱使研究人员去实现安全稳定、轻型灵活、通用性强、智能化、续航时间长的外骨骼机器人。其广阔的应用前景吸引了越来越多的国家参与投资和研发。

美国的高等学府、研究机构和相关企业对外骨骼技术的关注较早，投入的资金也较大，其中较出名的有洛克希德马丁公司、EKSO仿生学公司。而日本对外骨骼的研究主要集中于工业、农业、医疗等民用领域，研究水平相对较高，如日本驻波大学的HAL5系列外骨骼,日本DaisukeSasaki的气动外骨骼。此外，荷兰、意大利、德国、以色列等国家在研究外骨骼技术的过程中也取得了一定的实用成果^[1]。

中国虽幸运赶上了信息时代的末班车，但在许多先进技术领域的起步比较迟，技术积累不如发达国家，在外骨骼技术方面处于追赶状态。至今,我国有很多的科研机构投入到外骨骼技术的研究之中,但研究水平相对较低。

从系统工程的角度来看，外骨骼机器人的功能实现和性能保障依赖于其子系统的正常运行和互相联系。其中传感系统的主要作用是采集前端数据，为控制器执行决策提供必要的数据支撑，其设计的优劣将直接影响整个外骨骼系统的性能。因此需要通过合理的设计保障其数据传输的安全性和实时性，实现传感网络节点之间的协同工作。

根据实际需要，外骨骼机器人传感网络节点需要多种传感器：基本的有压力传感器、加速度计、陀螺仪。其中压力传感器是分析系统受力的必备器件，加速度计用于推测系统的运动状态，陀螺仪得到的数据可以反映外骨骼的空间三维姿态^[3]。此外，节点必须要有一定的数据处理能力和通信能力才能和主节点交换实时数据。考虑到可测量数据的多样性，传感网络节点的设计应预留适当的扩展空间。

2. 研究的基本内容与方案

本毕业设计的主要内容是以STM32F103为微控制器^[5]-[6]，设计外骨骼机器人传感网络节点，并根据MODBUS RTU协议栈^[10]-[15]编写通信程序，实现主从节点之间的数据交换。本设计需要先了解外骨骼机器人技术的发展状况，分析外骨骼机器人传感系统的网络结构。网络节点之间的通信需要成熟的通信协议，因此有必要了解OSI模型和常用的通信协议^[9]。本设计的主要工作有：熟悉基于STM32F103微控制器平台的开发流程；了解压力传感器、加速度计、陀螺仪等数据采集元件的使用方法并设计相应的信号采集电路和信号调理电路；根据MODBUS RTU协议栈的内容来编写出主站/从站通信测试程序；在设计好的硬件平台上调试、验证和改进设计。

如图1所示，设计的传感网络节点主要包括4个部分。STM32最小系统是整个电路的核心；惯性测量单元包含加速度计和陀螺仪，用于测量三轴角度和加速度；压力传感器测量外骨骼的压力；设置调试接口则为了方便研发阶段的程序调试。当然，为了完善电路功能，可以增加通信的可视化诊断、传感数据显示等功能。利用MODBUS协议实现与上位机的异步串行通信。