一种独立于康复者质量的轮式康复机器人的控制方法技术

本发明专利技术公开了一种独立于康复者质量的轮式康复机器人的控制方法，根据康复者训练过程中重心的恒定偏移，得到了独立于康复者质量特征的偏移特性；根据偏移特性，利用路径跟踪误差和速度跟踪误差，设计独立于康复者质量特征的控制器；基于单片机实现主控制器的设计，将输出信号提供给电机驱动单元，使机器人实现对参考轨迹信号的跟踪。本发明专利技术有效解决了机器人重心和几何中心不重合问题，并且避免自适应参数估计康复者的质量，简化了控制器的设计过程，对不同体重的训练者，都能实现对医生指定训练路径的精确跟踪。

【技术实现步骤摘要】
一种独立于康复者质量的轮式康复机器人的控制方法
：本专利技术涉及轮式康复机器人的自动控制领域，尤其是关于独立于康复者质量的轮式康复机器人的控制方法。
技术介绍
：随着老龄化社会的到来，由于疾病和交通事故等原因，使步行功能障碍患者逐年增多。然而，我国医护资源的不足和医疗费用昂贵等问题，使许多患者错过了最佳恢复期，从而导致患者步行功能逐渐丧失，给家庭和社会带来沉重的负担。因此，发展康复机器人及时有效对患者进行步行功能训练，具有重要意义。康复机器人按照医生指定的训练路径，对康复患者的腿部肌肉进行全面锻炼。当机器人运动时，系统某些参数的确定是很困难的，尤其是康复患者未知质量对机器人的影响，不仅会降低控制精度，而且会导致机器人重心和几何中心的不重合，往往使机器人重心偏移到固定位置。如果不从控制方法上解决机器人重心恒定偏移和康复患者质量问题，将不可避免地使机器人偏离医生指定的训练路径，这样不但影响训练效果，而且撞到障碍物会使系统不稳定，威胁康复患者的安全。
技术实现思路
：专利技术目的：为了解决上述问题，本专利技术提供了一种独立于康复者质量的轮式康复机器人的控制方法。技术方案：本专利技术是通过以下技术方案来实现的：一种独立于康复者质量的轮式康复机器人的控制方法，其特征在于：步骤如下：1）分析康复机器人刚性车轮与地面的接触特性，建立重心偏移的动力学模型，基于该模型，根据康复者实际训练过程中重心偏移到固定点，得到重心恒定偏移的特性；2）基于路径跟踪误差和速度跟踪误差，设计独立于康复者质量特征的控制器，解决康复者质量定常改变问题，并且避免了对康复者质量参数进行自适应估计；3）基于89S51系列高性能单片机将输出信号提供给电机驱动单元，使机器人实现对参考轨迹信号的跟踪。步骤1）是根据地面力学理论，建立重心偏移的动力学模型：其中M0为包含机器人质量M、康复者质量m和转动惯量I0的系数矩阵，K为机器人偏移重心到各轮子距离的系数矩阵，X为机器人的实际行走路径，B(θ)为机器人旋转角度构成的系数矩阵，F表示机器人的控制输入力，θ表示水平轴和机器人中心到第一个轮子距离间的夹角，有θ＝θ1，θ3＝θ+π，步骤2）解决康复者质量定常改变问题是指，解决不同体重康复者使康复机器人重心发生恒定偏移问题，对动力学模型（1）系数矩阵M0K进行矩阵分解，将康复者质量m与机器人质量M和转动惯量I0进行分解，将式（1）的两侧同时左乘分离后含有机器人质量M和转动惯量I0的系数矩阵将式（1）化为如下表达形式:康复机器人重心恒定偏移且M+m＝C时，C为常数，有偏移特性成立；根据偏移特性，设计独立于康复质量的控制器。根据医生指定的训练路径Xd和康复机器人实际行走路径X的跟踪误差e，得到如下形式的误差状态模型：其中基于误差状态模型，设计独立于康复者质量特性的控制器：在控制器F作用下，解决康复者质量定常改变问题，避免对康复者质量参数进行自适应估计，实现对医生指定训练路径的精确跟踪。步骤3）中以89S51系列高性能单片机为主控制器，主控器与外围扩展电路、输入/输出电路相连；驱动电路与直流电机相连；电源系统连接各个电气设备供电。主控制器的控制方法为：采集参考轨迹Xd形成四路模拟信号，四路模拟信号分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，主控器单片机参照用户操作指令和传感器反馈信息，实现控制命令，信号进入单片机处理后输出，将输出信号通过D/A转换，提供给电机驱动单元，从而实现机器人的跟踪控制；同时，通过读取电机编码器的反馈信号与主控制器给定的控制命令信号X对比得出误差信号，根据误差信号，单片机按照预定的控制算法计算电机的给定量，送给执行器，执行电机带动轮子维持自身平衡及按指定方式运动。优点及效果：本专利技术是一种独立于康复者质量的轮式康复机器人的控制方法，具有如下优点：（1）本专利技术对于轮式移动机器人运动控制问题进行深入研究。研究表明，康复机器人运动时，机器人系统某些参数的确定是很困难的，未知质量等因素不仅会降低控制精度，同时，康复患者训练位姿的保持，往往会导致重心偏移到固定位置。利用重心恒定偏移特性，提出独立于康复者质量的控制方法，应用此方法，确保机器人跟踪医生指定的训练路径并且使康复者达到训练效果。（2）本专利技术设计独立于康复者质量特性的控制方法，解决了因个体情况不同导致的质量定常改变问题，避免了对康复者质量参数进行重新自适应估计，简化了控制器的设计。附图说明：图1为本专利技术控制器工作框图；图2为本专利技术控制工作流程图；图3为本专利技术的硬件最小系统；图4为本专利技术的处理器外围扩展电路；图5为本专利技术的A/D转换电路；图6为本专利技术的D/A转换电路；图7为本专利技术的串口MAX232电路；图8为本专利技术的ISP接口下载电路；图9为本专利技术硬件总体原理电路。具体实施方式：下面结合附图对本专利技术做进一步的说明，但本专利技术的保护范围不受实施例的限制。为了解决不同体重康复者使机器人重心发生恒定偏移，影响机器人对医生指定训练路经的跟踪，本专利技术提出一种独立于康复者质量的轮式康复机器人的控制方法。独立于康复者质量的轮式康复机器人的控制方法，步骤如下：1）分析康复机器人刚性车轮与地面的接触特性，建立重心偏移的动力学模型，基于该模型，根据康复者实际训练过程中重心偏移到固定点，得到了重心恒定偏移的特性；2）基于路径跟踪误差和速度跟踪误差，设计独立于康复者质量特征的控制器，解决康复者质量定常改变问题，并且避免对康复者质量参数进行自适应估计；3）基于89S51系列高性能单片机将输出信号提供给电机驱动单元，使机器人实现对参考轨迹信号的跟踪。步骤1），根据地面力学理论，机器人刚性车轮与地面的接触特性，建立重心偏移的动力学模型其中M0为包含机器人质量M、康复者质量m和转动惯量I0的系数矩阵，K为机器人偏移重心到各轮子距离的系数矩阵，X为机器人的实际行走路径，B(θ)为机器人旋转角度构成的系数矩阵，F表示机器人的控制输入力，θ表示水平轴和机器人中心到第一个轮子距离间的夹角，有θ＝θ1，θ3＝θ+π，不同体重康复者训练位姿的保持，会使机器人的重心发生恒定偏移，解决康复者质量定常改变问题是指，解决不同体重康复者使康复机器人重心发生恒定偏移问题，对动力学模型（1）系数矩阵M0K进行矩阵分解，将康复者质量m与机器人质量M和转动惯量I0进行分解，为了得到独立于康复者质量的控制器，将式（1）的两侧同时左乘系数矩阵分离后含有机器人质量M和转动惯量I0的系数矩阵得到如下的模型表达形式不同康复者导致机器人重心恒定偏移，且M+m＝C时，C为常数，有偏移特性成立。根据偏移特性，设计独立于康复质量的控制器，从而避免了对康复者质量重新进行参数设定，简化了控制器的设计过程，依然能保证康复机器人的正常安全训练。步骤2）中康复机器人需要根据医生指定的训练路径Xd对患者进行康复训练，因此所设计的控制器要精确跟踪医生指定的训练路径。根据医生指定训练路径Xd和康复机器人实际行走路径X的跟踪误差e，得到如下形式的误差状态模型：其中基于误差状态模型，设计独立于康复者质量特性的控制器：在控制器F作用下，解决康复者质量定常改变问题，避免对康复者质量参数进行自适应估计，能够实现对医生指定训练路径的精确跟踪。步骤3）中以89S51系列高性能单片机为主控制器，主控器与外围扩展电路、输入/本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种独立于康复者质量的轮式康复机器人的控制方法，其特征在于：步骤如下：1）分析康复机器人刚性车轮与地面的接触特性，建立重心偏移的动力学模型，基于该模型，根据康复者实际训练过程中重心偏移到固定点，得到重心恒定偏移的特性；2）基于路径跟踪误差和速度跟踪误差，设计独立于康复者质量特征的控制器，解决康复者质量定常改变问题，并且避免了对康复者质量参数进行自适应估计；3）基于89S51系列高性能单片机将输出信号提供给电机驱动单元，使机器人实现对参考轨迹信号的跟踪。

【技术特征摘要】
1.一种独立于康复者质量的轮式康复机器人的控制方法，其特征在于：步骤如下：1)分析康复机器人刚性车轮与地面的接触特性，建立重心偏移的动力学模型，基于该模型，根据康复者实际训练过程中重心偏移到固定点，得到重心恒定偏移的特性；2)基于路径跟踪误差和速度跟踪误差，设计独立于康复者质量特征的控制器，解决康复者质量定常改变问题，并且避免了对康复者质量参数进行自适应估计；3)基于89S51系列高性能单片机将输出信号提供给电机驱动单元，使机器人实现对参考轨迹信号的跟踪；步骤1)是根据地面力学理论，建立重心偏移的动力学模型：其中M0为包含机器人质量M、康复者质量m和转动惯量I0的系数矩阵，K为机器人偏移重心到各轮子距离的系数矩阵，X为机器人的实际行走路径，B(θ)为机器人旋转角度构成的系数矩阵，F表示机器人的控制输入力，θ表示水平轴和机器人中心到第一个轮子距离间的夹角，有θ1＝θ，θ3＝θ+π，2.根据权利要求1所述的独立于康复者质量的轮式康复机器人的控制方法，其特征在于：步骤2)解决康复者质量定常改变问题是指，解决不同体重康复者使康复机器人重心发生恒定偏移问题，对动力学模型(1)系数矩阵M0K进行矩阵分解，将康复者质量m与机器人质量M和转动惯量I0进行分解，将式(1)的两侧同时左乘分离后含有机器人质量M和转动惯量I0的系数矩阵将式(1)化为如下表达形式:3.根据权利要求2所述的独立于康复者质量的轮式康复机器人的控制方法，其特征在于：康复机器人重心恒定偏移且M+m＝C时，C为常数，有偏移特性成立；根据偏移特性，设计独立于康复者质量的控制器。4.根据权利要求3所述的独立于康复者...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙平，赵明，宗良，彭万平，
申请(专利权)人：沈阳工业大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21