基于交互力识别运动意图的欠驱动康复机器人的控制方法技术

本发明专利技术属于外骨骼机器人控制相关技术领域，其公开了一种基于交互力识别运动意图的欠驱动康复机器人的控制方法，其包括以下步骤：(1)确定欠驱动康复机器人的驱动电机数量及驱动角度矢量；(2)确定运动关节角度矢量；(3)确定初始关节角度矢量。(4)计算出传动矩阵；(5)求得驱动电机与关节转角之间的关系式；(6)确定欠驱动康复机器人的刚体雅可比矩阵；(7)确定欠驱动康复机器人末端的速度映射矩阵；(8)构建出驱动电机的驱动空间到欠驱动康复机器人操作空间的投影矩阵；(9)根据测量数据计算出患者的手施加在欠驱动康复机器人的手柄处的力矢量；(10)将力矢量转化为患者渴望的速度矢量；(11)求得驱动电机的转速矢量。

【技术实现步骤摘要】
基于交互力识别运动意图的欠驱动康复机器人的控制方法
本专利技术属于外骨骼机器人控制相关
，更具体地，涉及一种基于交互力识别运动意图的欠驱动康复机器人的控制方法。
技术介绍
目前，大部分康复机器人仅能完成被动训练任务，无法根据患者的主动运动意图完成主动康复训练，如申请号为201410627428.9的专利公开了一种外骨骼式上肢康复训练系统，其是辅助康复医师完成康复训练的一种医疗设备，可以实现肩部三个自由度、肘部一个自由度和腕部一个自由度的运动，真实再现患者的日常生活的动作训练，所述外骨骼式上肢康复训练系统由两部分组成：第一耦合运动机构及第二耦合运动机构。所述第一耦合运动机构将肩部外展和内旋两个自由度耦合，采用一个电机驱动；所述第二耦合运动机构将肩部前伸、肘部屈肘及腕部翻转三个自由度耦合，采用一个电机驱动，故所述外骨骼式上肢康复训练系统采用两个电机控制上肢五个关节的运动，其为欠驱动系统。该外骨骼式上肢康复训练系统的优势在于既减少了驱动电机的数量，使得控制可靠，又将驱动电机转移到了非机械臂处，减小了外骨骼的尺寸大小，提高患者的安全性，但其无法根据训练者的主动运动意图完成主动康复训练。然而，在肢体康复训练中，患者主动运动康复训练是必须的康复过程。若要实现主动康复训练，就要能够准确判断患者肢体的运动意图，进行主动训练的患者肌体肌力不具备支撑肢体及康复器械的能力，需要康复器械施加一定的力矩辅助患者运动。相比于被动康复训练，主动康复训练被认为对肢体运动功能恢复更为有效。为了实现主动康复训练就需要判断患者的运动意向，大多采用肌电信号来实现判断人体主动运动意向的，但由于每个人的实际情况不同，所产生的肌电信号强弱不一致，肌电信号的干扰因素很多，所以在实际过程中要经过反复检测才能使用，增加了检测成本。现阶段，本领域相关技术人员已经做了一些研究，如申请号为201510895139.1的专利记载了根据患者的关节力矩作为判断患者运动意图的方式，用力来判断患者运动意图的方式比肌电信号可靠，但是采集患者关节力矩值的方式不仅要求患者的上肢关节完全与康复机器人的关节重合，而且要求其运动角度、角速度和角加速度均与外骨骼康复机器人一致，这些要求并不符合实际康复训练情况，偏瘫患者在上肢外骨骼机器人上做康复训练时，上肢各关节或多或少偏离外骨骼机器人的关节，此种情况采集到的患者关节的力矩值并不准确。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于交互力识别运动意图的欠驱动康复机器人的控制方法，其基于欠驱动康复机器人的工作特点，针对基于交互力识别运动意图的欠驱动康复机器人的控制方法进行了设计。所述控制方法能够借助六维力传感器较容易的实时判断出患者的运动意图，并将运动意图转化为欠驱动康复机器人的驱动电机所应做出的响应，实现了以患者意图主导的主动康复训练，降低了结构复杂程度，减小了体积，安全可靠，有利于欠驱动康复机器人的应用。此外，所述控制方法通过对速度矢量系数的改变可以调节欠驱动康复机器人助力的大小，使用方便，灵活性较高。为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于交互力识别运动意图的欠驱动康复机器人的控制方法，其包括以下步骤：(1)提供一个欠驱动康复机器人，并确定所述欠驱动康复机器人的驱动电机数量及驱动角度矢量，所述欠驱动康复机器人的手柄部位设置有六维力传感器；(2)根据所述欠驱动康复机器人的关节数量确定运动关节角度矢量；(3)根据所述欠驱动康复机器人的关节初始角度确定初始关节角度矢量；(4)根据所述欠驱动康复机器人的结构耦合情况计算出传动矩阵；(5)根据所述驱动角度矢量、所述运动关节角度矢量、初始关节角度矢量及所述传动矩阵求得驱动电机与关节转角之间的关系式；(6)根据运动关节角度矢量确定所述欠驱动康复机器人的刚体雅可比矩阵；(7)根据所述传动矩阵及所述雅可比矩阵确定所述欠驱动康复机器人末端的速度映射矩阵；(8)根据所述速度映射矩阵的列矢量构建出驱动电机的驱动空间到所述欠驱动康复机器人操作空间的投影矩阵；(9)根据所述六维力传感器测量出的数据计算出患者的手施加在所述欠驱动康复机器人的手柄处的力矢量；(10)将所述力矢量转化为患者渴望的速度矢量；(11)将所述速度矢量左乘所述投影矩阵以得到所述驱动电机的转速矢量，即得到所需控制的电机转速。进一步的，所述欠驱动康复机器人为上肢外骨骼康复机器人，其驱动电机的数量为两个。进一步的，所述欠驱动康复机器人的关节数量为五个；所述初始关节角度矢量其中，分别表示五个关节的初始转动角度。进一步的，所述欠驱动康复机器人包括两个耦合部分，两个所述耦合部分分别为肩关节耦合及肩肘关节耦合。进一步的，所述传动矩阵为各个关节的传动比构成的：式中，1μ1、1μ2、2μ1、2μ2、2μ3分别为各个关节的传动比。进一步的，所述六维力传感器可采集施加在其表面的力和力矩值，并以下式输出：Fs＝[τx,τy,τz,fx,fy,fz]T，式中，τ为力矩，f为力，x,y,z的方向分别与六维力传感器坐标系的三个坐标轴xf，yf，zf同向，所述六维力传感器坐标系的坐标原点位于所述六维力传感器的几何中心。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，本专利技术提供的基于交互力识别运动意图的欠驱动康复机器人的控制方法，其能够借助六维力传感器较容易的实时判断出患者的运动意图，并将运动意图转化为欠驱动康复机器人的驱动电机所应做出的响应，实现了以患者意图主导的主动康复训练，降低了结构复杂程度，减小了体积，安全可靠，有利于欠驱动康复机器人的应用。此外，所述控制方法通过对速度矢量系数的改变可以调节欠驱动康复机器人助力的大小，使用方便，灵活性较高。附图说明图1是专利技术较佳实施方式提供的基于交互力识别运动意图的欠驱动康复机器人的控制方法的流程图。图2是图1中的基于交互力识别运动意图的欠驱动康复机器人的控制方法涉及的欠驱动康复机器人的结构示意图。图3是图2中的欠驱动康复机器人的局部坐标设置示意图。图4是图2中的欠驱动康复机器人的另一局部坐标设置示意图。在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-第一电机，2-第一驱动盘，3-第二电机，4-第二驱动盘，5-第一肩部从动盘，6-第一肘部从动盘，7-六维力传感器，8-第一绳索，9-第二绳索，10-第二肩部从动盘，11-第三肩部从动盘，12-第三绳索，13-第四绳索，14-第四肩部从动盘，15-第五肩部从动盘，16-第二肘部从动盘，17-腕部弧形盘，18-手柄。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。请参阅图1至图4，本专利技术较佳实施方式提供的基于交互力识别运动意图的欠驱动康复机器人的控制方法，所述控制方法借助六维力传感器来达到稳定识别患者的运动意图，进而完成欠驱动康复机器人带着患者主动康复训练的目的。本专利技术提供的基于交互力识别运动意图的欠驱动康复机器人的控制方法主要包括以下步骤：步骤一，提供一个欠驱动康复机器人，并确定所述欠驱动康复机器人的驱动电机本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于交互力识别运动意图的欠驱动康复机器人的控制方法，其包括以下步骤：(1)提供一个欠驱动康复机器人，并确定所述欠驱动康复机器人的驱动电机数量及驱动角度矢量，所述欠驱动康复机器人的手柄部位设置有六维力传感器；(2)根据所述欠驱动康复机器人的关节数量确定运动关节角度矢量；(3)根据所述欠驱动康复机器人的关节初始角度确定初始关节角度矢量；(4)根据所述欠驱动康复机器人的结构耦合情况计算出传动矩阵；(5)根据所述驱动角度矢量、所述运动关节角度矢量、初始关节角度矢量及所述传动矩阵求得驱动电机与关节转角之间的关系式；(6)根据运动关节角度矢量确定所述欠驱动康复机器人的刚体雅可比矩阵；(7)根据所述传动矩阵及所述雅可比矩阵确定所述欠驱动康复机器人末端的速度映射矩阵；(8)根据所述速度映射矩阵的列矢量构建出驱动电机的驱动空间到所述欠驱动康复机器人操作空间的投影矩阵；(9)根据所述六维力传感器测量出的数据计算出患者的手施加在所述欠驱动康复机器人的手柄处的力矢量；(10)将所述力矢量转化为患者渴望的速度矢量；(11)将所述速度矢量左乘所述投影矩阵以得到所述驱动电机的转速矢量，即得到所需控制的电机转速。

【技术特征摘要】
1.一种基于交互力识别运动意图的欠驱动康复机器人的控制方法，其包括以下步骤：(1)提供一个欠驱动康复机器人，并确定所述欠驱动康复机器人的驱动电机数量及驱动角度矢量，所述欠驱动康复机器人的手柄部位设置有六维力传感器；(2)根据所述欠驱动康复机器人的关节数量确定运动关节角度矢量；(3)根据所述欠驱动康复机器人的关节初始角度确定初始关节角度矢量；(4)根据所述欠驱动康复机器人的结构耦合情况计算出传动矩阵；(5)根据所述驱动角度矢量、所述运动关节角度矢量、初始关节角度矢量及所述传动矩阵求得驱动电机与关节转角之间的关系式；(6)根据运动关节角度矢量确定所述欠驱动康复机器人的刚体雅可比矩阵；(7)根据所述传动矩阵及所述雅可比矩阵确定所述欠驱动康复机器人末端的速度映射矩阵；(8)根据所述速度映射矩阵的列矢量构建出驱动电机的驱动空间到所述欠驱动康复机器人操作空间的投影矩阵；(9)根据所述六维力传感器测量出的数据计算出患者的手施加在所述欠驱动康复机器人的手柄处的力矢量；(10)将所述力矢量转化为患者渴望的速度矢量；(11)将所述速度矢量左乘所述投影矩阵以得到所述驱动电机的转速矢量，即得到所需控制的电机转速。2.如权利要求1所述的基于...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊蔡华，贺磊，伍轩，何畅，程小为，陶建波，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42