基于交互力識別運動意圖的欠驅動康復機器人的控制方法技術

本發(fā)明專利技術屬于外骨骼機器人控制相關技術領域，其公開了一種基于交互力識別運動意圖的欠驅動康復機器人的控制方法，其包括以下步驟：(1)確定欠驅動康復機器人的驅動電機數量及驅動角度矢量；(2)確定運動關節(jié)角度矢量；(3)確定初始關節(jié)角度矢量。(4)計算出傳動矩陣；(5)求得驅動電機與關節(jié)轉角之間的關系式；(6)確定欠驅動康復機器人的剛體雅可比矩陣；(7)確定欠驅動康復機器人末端的速度映射矩陣；(8)構建出驅動電機的驅動空間到欠驅動康復機器人操作空間的投影矩陣；(9)根據測量數據計算出患者的手施加在欠驅動康復機器人的手柄處的力矢量；(10)將力矢量轉化為患者渴望的速度矢量；(11)求得驅動電機的轉速矢量。

【技術實現步驟摘要】
基于交互力識別運動意圖的欠驅動康復機器人的控制方法
本專利技術屬于外骨骼機器人控制相關
，更具體地，涉及一種基于交互力識別運動意圖的欠驅動康復機器人的控制方法。
技術介紹
目前，大部分康復機器人僅能完成被動訓練任務，無法根據患者的主動運動意圖完成主動康復訓練，如申請?zhí)枮?01410627428.9的專利公開了一種外骨骼式上肢康復訓練系統(tǒng)，其是輔助康復醫(yī)師完成康復訓練的一種醫(yī)療設備，可以實現肩部三個自由度、肘部一個自由度和腕部一個自由度的運動，真實再現患者的日常生活的動作訓練，所述外骨骼式上肢康復訓練系統(tǒng)由兩部分組成：第一耦合運動機構及第二耦合運動機構。所述第一耦合運動機構將肩部外展和內旋兩個自由度耦合，采用一個電機驅動；所述第二耦合運動機構將肩部前伸、肘部屈肘及腕部翻轉三個自由度耦合，采用一個電機驅動，故所述外骨骼式上肢康復訓練系統(tǒng)采用兩個電機控制上肢五個關節(jié)的運動，其為欠驅動系統(tǒng)。該外骨骼式上肢康復訓練系統(tǒng)的優(yōu)勢在于既減少了驅動電機的數量，使得控制可靠，又將驅動電機轉移到了非機械臂處，減小了外骨骼的尺寸大小，提高患者的安全性，但其無法根據訓練者的主動運動意圖完成主動康復訓練。然而，在肢體康復訓練中，患者主動運動康復訓練是必須的康復過程。若要實現主動康復訓練，就要能夠準確判斷患者肢體的運動意圖，進行主動訓練的患者肌體肌力不具備支撐肢體及康復器械的能力，需要康復器械施加一定的力矩輔助患者運動。相比于被動康復訓練，主動康復訓練被認為對肢體運動功能恢復更為有效。為了實現主動康復訓練就需要判斷患者的運動意向，大多采用肌電信號來實現判斷人體主動運動意向的，但由于每個人的實際情況不同，所產生的肌電信號強弱不一致，肌電信號的干擾因素很多，所以在實際過程中要經過反復檢測才能使用，增加了檢測成本。現階段，本領域相關技術人員已經做了一些研究，如申請?zhí)枮?01510895139.1的專利記載了根據患者的關節(jié)力矩作為判斷患者運動意圖的方式，用力來判斷患者運動意圖的方式比肌電信號可靠，但是采集患者關節(jié)力矩值的方式不僅要求患者的上肢關節(jié)完全與康復機器人的關節(jié)重合，而且要求其運動角度、角速度和角加速度均與外骨骼康復機器人一致，這些要求并不符合實際康復訓練情況，偏癱患者在上肢外骨骼機器人上做康復訓練時，上肢各關節(jié)或多或少偏離外骨骼機器人的關節(jié)，此種情況采集到的患者關節(jié)的力矩值并不準確。
技術實現思路
針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本專利技術提供了一種基于交互力識別運動意圖的欠驅動康復機器人的控制方法，其基于欠驅動康復機器人的工作特點，針對基于交互力識別運動意圖的欠驅動康復機器人的控制方法進行了設計。所述控制方法能夠借助六維力傳感器較容易的實時判斷出患者的運動意圖，并將運動意圖轉化為欠驅動康復機器人的驅動電機所應做出的響應，實現了以患者意圖主導的主動康復訓練，降低了結構復雜程度，減小了體積，安全可靠，有利于欠驅動康復機器人的應用。此外，所述控制方法通過對速度矢量系數的改變可以調節(jié)欠驅動康復機器人助力的大小，使用方便，靈活性較高。為實現上述目的，本專利技術提供了一種基于交互力識別運動意圖的欠驅動康復機器人的控制方法，其包括以下步驟：(1)提供一個欠驅動康復機器人，并確定所述欠驅動康復機器人的驅動電機數量及驅動角度矢量，所述欠驅動康復機器人的手柄部位設置有六維力傳感器；(2)根據所述欠驅動康復機器人的關節(jié)數量確定運動關節(jié)角度矢量；(3)根據所述欠驅動康復機器人的關節(jié)初始角度確定初始關節(jié)角度矢量；(4)根據所述欠驅動康復機器人的結構耦合情況計算出傳動矩陣；(5)根據所述驅動角度矢量、所述運動關節(jié)角度矢量、初始關節(jié)角度矢量及所述傳動矩陣求得驅動電機與關節(jié)轉角之間的關系式；(6)根據運動關節(jié)角度矢量確定所述欠驅動康復機器人的剛體雅可比矩陣；(7)根據所述傳動矩陣及所述雅可比矩陣確定所述欠驅動康復機器人末端的速度映射矩陣；(8)根據所述速度映射矩陣的列矢量構建出驅動電機的驅動空間到所述欠驅動康復機器人操作空間的投影矩陣；(9)根據所述六維力傳感器測量出的數據計算出患者的手施加在所述欠驅動康復機器人的手柄處的力矢量；(10)將所述力矢量轉化為患者渴望的速度矢量；(11)將所述速度矢量左乘所述投影矩陣以得到所述驅動電機的轉速矢量，即得到所需控制的電機轉速。進一步的，所述欠驅動康復機器人為上肢外骨骼康復機器人，其驅動電機的數量為兩個。進一步的，所述欠驅動康復機器人的關節(jié)數量為五個；所述初始關節(jié)角度矢量其中，分別表示五個關節(jié)的初始轉動角度。進一步的，所述欠驅動康復機器人包括兩個耦合部分，兩個所述耦合部分分別為肩關節(jié)耦合及肩肘關節(jié)耦合。進一步的，所述傳動矩陣為各個關節(jié)的傳動比構成的：式中，1μ1、1μ2、2μ1、2μ2、2μ3分別為各個關節(jié)的傳動比。進一步的，所述六維力傳感器可采集施加在其表面的力和力矩值，并以下式輸出：Fs＝[τx,τy,τz,fx,fy,fz]T，式中，τ為力矩，f為力，x,y,z的方向分別與六維力傳感器坐標系的三個坐標軸xf，yf，zf同向，所述六維力傳感器坐標系的坐標原點位于所述六維力傳感器的幾何中心。總體而言，通過本專利技術所構思的以上技術方案與現有技術相比，本專利技術提供的基于交互力識別運動意圖的欠驅動康復機器人的控制方法，其能夠借助六維力傳感器較容易的實時判斷出患者的運動意圖，并將運動意圖轉化為欠驅動康復機器人的驅動電機所應做出的響應，實現了以患者意圖主導的主動康復訓練，降低了結構復雜程度，減小了體積，安全可靠，有利于欠驅動康復機器人的應用。此外，所述控制方法通過對速度矢量系數的改變可以調節(jié)欠驅動康復機器人助力的大小，使用方便，靈活性較高。附圖說明圖1是專利技術較佳實施方式提供的基于交互力識別運動意圖的欠驅動康復機器人的控制方法的流程圖。圖2是圖1中的基于交互力識別運動意圖的欠驅動康復機器人的控制方法涉及的欠驅動康復機器人的結構示意圖。圖3是圖2中的欠驅動康復機器人的局部坐標設置示意圖。圖4是圖2中的欠驅動康復機器人的另一局部坐標設置示意圖。在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中：1-第一電機，2-第一驅動盤，3-第二電機，4-第二驅動盤，5-第一肩部從動盤，6-第一肘部從動盤，7-六維力傳感器，8-第一繩索，9-第二繩索，10-第二肩部從動盤，11-第三肩部從動盤，12-第三繩索，13-第四繩索，14-第四肩部從動盤，15-第五肩部從動盤，16-第二肘部從動盤，17-腕部弧形盤，18-手柄。具體實施方式為了使本專利技術的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本專利技術進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本專利技術，并不用于限定本專利技術。此外，下面所描述的本專利技術各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。請參閱圖1至圖4，本專利技術較佳實施方式提供的基于交互力識別運動意圖的欠驅動康復機器人的控制方法，所述控制方法借助六維力傳感器來達到穩(wěn)定識別患者的運動意圖，進而完成欠驅動康復機器人帶著患者主動康復訓練的目的。本專利技術提供的基于交互力識別運動意圖的欠驅動康復機器人的控制方法主要包括以下步驟：步驟一，提供一個欠驅動康復機器人，并確定所述欠驅動康復機器人的驅動電機本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于交互力識別運動意圖的欠驅動康復機器人的控制方法，其包括以下步驟：(1)提供一個欠驅動康復機器人，并確定所述欠驅動康復機器人的驅動電機數量及驅動角度矢量，所述欠驅動康復機器人的手柄部位設置有六維力傳感器；(2)根據所述欠驅動康復機器人的關節(jié)數量確定運動關節(jié)角度矢量；(3)根據所述欠驅動康復機器人的關節(jié)初始角度確定初始關節(jié)角度矢量；(4)根據所述欠驅動康復機器人的結構耦合情況計算出傳動矩陣；(5)根據所述驅動角度矢量、所述運動關節(jié)角度矢量、初始關節(jié)角度矢量及所述傳動矩陣求得驅動電機與關節(jié)轉角之間的關系式；(6)根據運動關節(jié)角度矢量確定所述欠驅動康復機器人的剛體雅可比矩陣；(7)根據所述傳動矩陣及所述雅可比矩陣確定所述欠驅動康復機器人末端的速度映射矩陣；(8)根據所述速度映射矩陣的列矢量構建出驅動電機的驅動空間到所述欠驅動康復機器人操作空間的投影矩陣；(9)根據所述六維力傳感器測量出的數據計算出患者的手施加在所述欠驅動康復機器人的手柄處的力矢量；(10)將所述力矢量轉化為患者渴望的速度矢量；(11)將所述速度矢量左乘所述投影矩陣以得到所述驅動電機的轉速矢量，即得到所需控制的電機轉速。

【技術特征摘要】
1.一種基于交互力識別運動意圖的欠驅動康復機器人的控制方法，其包括以下步驟：(1)提供一個欠驅動康復機器人，并確定所述欠驅動康復機器人的驅動電機數量及驅動角度矢量，所述欠驅動康復機器人的手柄部位設置有六維力傳感器；(2)根據所述欠驅動康復機器人的關節(jié)數量確定運動關節(jié)角度矢量；(3)根據所述欠驅動康復機器人的關節(jié)初始角度確定初始關節(jié)角度矢量；(4)根據所述欠驅動康復機器人的結構耦合情況計算出傳動矩陣；(5)根據所述驅動角度矢量、所述運動關節(jié)角度矢量、初始關節(jié)角度矢量及所述傳動矩陣求得驅動電機與關節(jié)轉角之間的關系式；(6)根據運動關節(jié)角度矢量確定所述欠驅動康復機器人的剛體雅可比矩陣；(7)根據所述傳動矩陣及所述雅可比矩陣確定所述欠驅動康復機器人末端的速度映射矩陣；(8)根據所述速度映射矩陣的列矢量構建出驅動電機的驅動空間到所述欠驅動康復機器人操作空間的投影矩陣；(9)根據所述六維力傳感器測量出的數據計算出患者的手施加在所述欠驅動康復機器人的手柄處的力矢量；(10)將所述力矢量轉化為患者渴望的速度矢量；(11)將所述速度矢量左乘所述投影矩陣以得到所述驅動電機的轉速矢量，即得到所需控制的電機轉速。2.如權利要求1所述的基于...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：熊蔡華，賀磊，伍軒，何暢，程小為，陶建波，
申請(專利權)人：華中科技大學，
類型：發(fā)明
國別省市：湖北,42