一种移乘护理机器人的行为安全控制方法技术

本发明专利技术涉及一种移乘护理机器人的行为安全控制方法，所述移乘护理机器人采用前抱式的方式进行移乘，该方法通过对机器人移乘动作的过程研究，分析在每个动作周期内对机器人和人体的姿态运动参数，获得移乘护理机器人的姿态与人体姿态的函数关系，即人体重心的变化情况，进而得到机器人姿态与人体重力分配的解算模型，以此解算模型为参考标准，在移乘护理类机器人实际动作过程中，结合人体脑电波信号和握力手柄力信号，实时监测支撑部位的压力值，当检测到不合理姿态时，通过比较实际值和解算模型理论值的误差，及时调整机器人动作姿态，达到安全舒适的护理动作效果。

Behavior safety control method of Mobile Nursing Robot

The invention relates to a control method of behavior safety moving nursing robot, the moving nursing robot adopts front holding type way of moving, the method through the research process of robot moving action, analysis of the robot pose and motion parameters in each action cycle, function relation was the attitude and body take the attitude shift nursing robot, the center of gravity of the human body changes, and then get the solution model of robot pose and body weight distribution, the calculation model for the reference standard, in moving nursing robot action in the process of practice, combined with the human brain wave signal and the grip handle force signal, real-time monitoring of the supporting part when the detected pressure value, unreasonable attitude error, by comparing the actual value and calculation model of the theoretical value, the timely adjustment of the robot pose, as To safe and comfortable nursing action effect.

【技术实现步骤摘要】
一种移乘护理机器人的行为安全控制方法
本专利技术属于护理机器人
，具体涉及一种移乘护理机器人的行为安全控制方法。
技术介绍
随着社会的不断发展，人口老龄化程度加快。照顾老年人的生活起居成为了当今社会每个家庭的难题，尤其是对于肢体患病的老年人。移乘护理机器人的出现将极大缓解老年人护理的工作压力。移乘护理机器人即通过机器人来协助行动不便的老年人进行日常活动。通过机器人自身的脚踏板、胸靠、腋下扶手的支撑，帮助老年人从床上换乘到轮椅或者其他指定目标位置。目前，人体康复护理方向的研究大都是关于上肢和下肢的康复训练控制方法，主要是主-被动结合的患肢康复训练策略。在移乘护理方向，日本理化研究所研究的RIBA机器人(参见图1)(MukaiT,HiranoS,YoshidaM,etal.Tactile-basedmotionadjustmentforthenursing-careassistantrobotRIBA[C]//IEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation.IEEEXplore,2011:5435-5441.)通过胳臂上的发动机来完成抱人的工作，后来开发的改进版本在胳膊上增加了柔性皮肤传感器，及时对人体的接触力的大小进行感知，进而调整姿态位置，更加安全的完成抱人过程。该机器人主要是通过触觉指导的控制策略，需要除机器人和受护理人外的第三辅助者对机器人进行触觉干预，假设当双臂距离不合适或角度不合理时，辅助者用手对机器人双臂施加一个合理方向的力，机器人手臂会跟随施加力方向动作，进行双臂的抱紧或放松，预先实验分析得到机器人抱人的基本轨迹(包括参数：双臂的距离和关节角度)，然后通过机器人与人体接触部分的面式柔性触觉传感器，实时采集接触力，通过接触位置和力信息来修正轨迹误差，通过反馈控制器来控制双臂的距离和关节角度。不足之处在于需要除机器人外另一名辅助人员对机器人进行辅助操作，不能完全实现机器人的自主化。移乘护理机器人尚属于新兴机器人，相关技术方面还不成熟，提到过移乘护理机器人方面的安全控制策略研究甚少。这类机器人主要的问题是在整个移乘护理过程中，如何保证人体的安全，不会对老年人的生命造成难以估量的危险。中国专利ZL201080005421.3公开一种移乘辅助设备，该设备适用于前抱式移乘护理机器人，通过控制单元预先设置的轨迹进行动作，不安缓解控制单元实时采集人体的心率变化，当人体心率值高于正常阈值时，将不安程度信号传给驱动电路，进而改变电机转速控制机器的旋转关节角，通过整个闭环控制来保证人体的安全舒适。不足之处在于：单纯依靠心率变化为控制标准，难以区别心率变化是否完全是由于机器的不正确动作造成的，还是有其他外界干扰因素造成的。
技术实现思路
针对现有移乘护理机器人在安全控制方面存在的不足，本专利技术拟解决的技术问题是，提供一种移乘护理机器人的行为安全控制方法。该方法以达到提高护理机器人行为安全为目的，使护理机器人在整个动作过程中保证被护理者的安全舒适性，减少被护理者的不适感。本专利技术方法通过对人体(暂考虑为多刚体模型)与机器人移乘过程进行研究，分析在每个动作周期内对机器人姿态和人体姿态的运动参数，获得移乘护理机器人的姿态与人体关节角的函数关系，即人体重心的变化情况，进而得到机器人姿态与人体重力分配的解算模型，以此解算模型为参考标准，在移乘护理类机器人实际动作过程中，结合人体脑电波信号和握力手柄力信号，实时监测支撑部位的压力值，当检测到不合理姿态时，通过比较实际值和解算模型理论值的误差，及时调整机器人动作姿态，达到安全舒适的护理动作效果。本专利技术解决所述技术问题采用的技术方案是：提供一种移乘护理机器人的行为安全控制方法，所述移乘护理机器人采用前抱式的方式进行移乘，包括下部固定部分和上部支撑部分，下部固定部分和上部支撑部分通过转动臂连接，转动臂下端与下部固定部分的连接位置处安装第一驱动电机和第一光电编码器；上部支撑部分包括胸靠、腋下扶手和握力手柄，胸靠和腋下扶手主要起承重作用，握力手柄主要为检测人体不合理姿态的作用。转动臂与胸靠的连接位置安装电动推杆和第二光电编码器，腋下扶手和胸靠的连接位置安装第二驱动电机和第三光电编码器，在护理机器人的握力手柄处安装握力传感器，腋下扶手安装扭矩传感器，胸靠和脚踏板上均布置压力传感器，护理机器人上部支撑部分能围绕下部固定部分与转动臂连接处转动；胸靠能绕转动臂与胸靠连接的铰点处转动，腋下扶手能绕胸靠与腋下扶手的连接点处转动；该方法包括以下步骤：S1.构建机器人姿态与人体重力分配的解算模型：通过建立机器人姿态与人体重力分配的解算模型来得到机器人在任意姿态下的人体和机器人接触位置的力；具体过程如下：S1-1以护理机器人的转动臂下端与下部固定部分的连接位置为坐标原点O，护理机器人的高度方向为y方向，水平方向为x方向，且竖直向上为y轴正方向，被护理者所在方向为x轴正方向，建立xy直角坐标系；转动臂的长度为L2，下部固定部分的高度为L1，转动臂与x轴正方向的夹角为关节角θ，转动臂与胸靠的连接点记为M；将被护理者的身体分为上身躯干、大腿和小腿三部分，上身躯干、大腿和小腿的质心分别记为A、B和C，对应的三部分的长度分别记为H1、H2和H3，上身躯干与x轴负方向的夹角为胸靠角度α，大腿与x轴正方向的夹角为β，β＝§(α)；被护理者的整体重心记为W，被护理者的身高为h，重力为g；腋下扶手与胸靠的初始角度为90°，按照人体各部分质心位置和质量的关系表得到三部分的相对人体总重的比例，在直角坐标系下结合各部分的几何关系计算得到三部分的质心A、B、C在xy直角坐标系中的位置坐标，分别记为(XA，YA)、(XB，YB)、(XC，YC)，三部分的质心的坐标均为包含参数L1、L2、θ、α，g、h的关系式，得到被护理者各部分的质量和位置信息；S1-2根据力矩合成法按照式(1)和(2)解算人体重心W的位置坐标，即按照各力矩之和等于同矩心的各力之和的力矩，求出人体重心W的位置坐标为(XW，YW)；G1XA+G2XB+G3XC＝gXW(1)G1YA+G2YB+G3YC＝gYW(2)式中，G1代表上身躯干的重力，G2代表大腿部分的重力，G3代表小腿部分的重力；S1-3在不考虑人体内部复杂连接关系的条件下，将步骤S1-2得到的人体重心W的位置坐标作为已知值，根据合力矩定理，将人体的总重力重新分配到机器人对人体的各个支撑位置，上半身由腋下和胸靠支撑，上半身支撑位置为转动臂与胸靠的铰点M，M的坐标记为(XM，YM)，下半身由脚底踏板支撑，被护理者与脚踏板的接触点N为下半身支撑位置，N的坐标记为(XN，YN)，将同一坐标系下两个支撑位置的坐标带入式(3)和(4)中，重新解算两个支撑位置分力的大小；gXW＝FsXM+FXXN(3)gYW＝FsYM+FXYN(4)式中，FS为上半身支撑力，FX为下半身支撑力，从而得到机器人姿态与人体重力分配的解算模型为：FS＝f1(L1,L2,θ,α,g,h)FX＝f2(L1,L2,θ,α,g,h)模型中，函数f1和f2分别表示自变量为机器人下部固定部分高度L1、转动臂长度L2、转动臂关节角度θ、胸靠角度α、人体重力g和身高h的关于上半身支撑力和下半身本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种移乘护理机器人的行为安全控制方法，所述移乘护理机器人采用前抱式的方式进行移乘，包括下部固定部分和上部支撑部分，下部固定部分和上部支撑部分通过转动臂连接，转动臂下端与下部固定部分的连接位置处安装第一驱动电机和第一光电编码器；上部支撑部分包括胸靠、腋下扶手和握力手柄，胸靠和腋下扶手主要起承重作用，握力手柄主要为检测人体不合理姿态的作用，转动臂与胸靠的连接位置安装电动推杆和第二光电编码器，腋下扶手和胸靠的连接位置安装第二驱动电机和第三光电编码器，在护理机器人的握力手柄处安装握力传感器，腋下扶手安装扭矩传感器，胸靠和脚踏板上均布置压力传感器，护理机器人上部支撑部分能围绕下部固定部分与转动臂连接处转动；胸靠能绕转动臂与胸靠连接的铰点处转动，腋下扶手能绕胸靠与腋下扶手的连接点处转动；该方法包括以下步骤：S1.构建机器人姿态与人体重力分配的解算模型：通过建立机器人姿态与人体重力分配的解算模型来得到机器人在任意姿态下的人体和机器人接触位置的力；具体过程如下：S1‑1以护理机器人的转动臂下端与下部固定部分的连接位置为坐标原点O，护理机器人的高度方向为y方向，水平方向为x方向，且竖直向上为y轴正方向，被护理者所在方向为x轴正方向，建立xy直角坐标系；转动臂的长度为L2，下部固定部分的高度为L1，转动臂与x轴正方向的夹角为关节角θ，转动臂与胸靠的连接点记为M；将被护理者的身体分为上身躯干、大腿和小腿三部分，上身躯干、大腿和小腿的质心分别记为A、B和C，对应的三部分的长度分别记为H1、H2和H3，上身躯干与x轴负方向的夹角为胸靠角度α，大腿与x轴正方向的夹角为β；被护理者的整体重心记为W，被护理者的身高为h，重力为g；腋下扶手与胸靠的初始角度为90°，按照人体各部分质心位置和质量的关系表得到三部分的相对人体总重的比例，在直角坐标系下结合各部分的几何关系计算得到三部分的质心A、B、C在xy直角坐标系中的位置坐标，分别记为(XA，YA)、(XB，YB)、(XC，YC)，三部分的质心的坐标均为包含参数L1、L2、θ、α，g、h的关系式，得到被护理者各部分的质量和位置信息；S1‑2根据力矩合成法按照式(1)和(2)解算人体重心W的位置坐标，即按照各力矩之和等于同矩心的各力之和的力矩，求出人体重心W的位置坐标为(XW，YW)；G1XA+G2XB+G3XC＝gXW   (1)G1YA+G2YB+G3YC＝gYW   (2)式中，G1代表上身躯干的重力，G2代表大腿部分的重力，G3代表小腿部分的重力；S1‑3在不考虑人体内部复杂连接关系的条件下，将步骤S1‑2得到的人体重心W的位置坐标作为已知值，根据合力矩定理，将人体的总重力重新分配到机器人对人体的各个支撑位置，上半身由腋下和胸靠支撑，上半身支撑位置为转动臂与胸靠的铰点M，M的坐标记为(XM，YM)，下半身由脚底踏板支撑，被护理者与脚踏板的接触点N为下半身支撑位置，N的坐标记为(XN，YN)，将同一坐标系下两个支撑位置的坐标带入式(3)和(4)中，重新解算两个支撑位置分力的大小；gXW＝FsXM+FXXN    (3)gYW＝FsYM+FXYN    (4)式中，FS为上半身支撑力，FX为下半身支撑力，从而得到机器人姿态与人体重力分配的解算模型为：FS＝f1(L1,L2,θ,α,g,h)FX＝f2(L1,L2,θ,α,g,h)模型中，函数f1和f2分别表示自变量为机器人下部固定部分高度L1、转动臂长度L2、转动臂关节角度θ、胸靠角度α、人体重力g和身高h的关于上半身支撑力和下半身支撑力的关系式；该解算模型将人体分为上半身和下半身，上半身的总重量等于上半身支撑力FS，上半身的重量主要由腋下扶手和胸靠两部分支撑平衡，则得到式(5)，即上半身的总重量等于腋下力和胸靠力的矢量和，...

【技术特征摘要】
1.一种移乘护理机器人的行为安全控制方法，所述移乘护理机器人采用前抱式的方式进行移乘，包括下部固定部分和上部支撑部分，下部固定部分和上部支撑部分通过转动臂连接，转动臂下端与下部固定部分的连接位置处安装第一驱动电机和第一光电编码器；上部支撑部分包括胸靠、腋下扶手和握力手柄，胸靠和腋下扶手主要起承重作用，握力手柄主要为检测人体不合理姿态的作用，转动臂与胸靠的连接位置安装电动推杆和第二光电编码器，腋下扶手和胸靠的连接位置安装第二驱动电机和第三光电编码器，在护理机器人的握力手柄处安装握力传感器，腋下扶手安装扭矩传感器，胸靠和脚踏板上均布置压力传感器，护理机器人上部支撑部分能围绕下部固定部分与转动臂连接处转动；胸靠能绕转动臂与胸靠连接的铰点处转动，腋下扶手能绕胸靠与腋下扶手的连接点处转动；该方法包括以下步骤：S1.构建机器人姿态与人体重力分配的解算模型：通过建立机器人姿态与人体重力分配的解算模型来得到机器人在任意姿态下的人体和机器人接触位置的力；具体过程如下：S1-1以护理机器人的转动臂下端与下部固定部分的连接位置为坐标原点O，护理机器人的高度方向为y方向，水平方向为x方向，且竖直向上为y轴正方向，被护理者所在方向为x轴正方向，建立xy直角坐标系；转动臂的长度为L2，下部固定部分的高度为L1，转动臂与x轴正方向的夹角为关节角θ，转动臂与胸靠的连接点记为M；将被护理者的身体分为上身躯干、大腿和小腿三部分，上身躯干、大腿和小腿的质心分别记为A、B和C，对应的三部分的长度分别记为H1、H2和H3，上身躯干与x轴负方向的夹角为胸靠角度α，大腿与x轴正方向的夹角为β；被护理者的整体重心记为W，被护理者的身高为h，重力为g；腋下扶手与胸靠的初始角度为90°，按照人体各部分质心位置和质量的关系表得到三部分的相对人体总重的比例，在直角坐标系下结合各部分的几何关系计算得到三部分的质心A、B、C在xy直角坐标系中的位置坐标，分别记为(XA，YA)、(XB，YB)、(XC，YC)，三部分的质心的坐标均为包含参数L1、L2、θ、α，g、h的关系式，得到被护理者各部分的质量和位置信息；S1-2根据力矩合成法按照式(1)和(2)解算人体重心W的位置坐标，即按照各力矩之和等于同矩心的各力之和的力矩，求出人体重心W的位置坐标为(XW，YW)；G1XA+G2XB+G3XC＝gXW(1)G1YA+G2YB+G3YC＝gYW(2)式中，G1代表上身躯干的重力，G2代表大腿部分的重力，G3代表小腿部分的重力；S1-3在不考虑人体内部复杂连接关系的条件下，将步骤S1-2得到的人体重心W的位置坐标作为已知值，根据合力矩定理，将人体的总重力重新分配到机器人对人体的各个支撑位置，上半身由腋下和胸靠支撑，上半身支撑位置为转动臂与胸靠的铰点M，M的坐标记为(XM，YM)，下半身由脚底踏板支撑，被护理者与脚踏板的接触点N为下半身支...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘今越，路浩，李路，王宁，刘秀丽，王旭之，顾立振，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12