康复机器人及其人机协同交互力控制方法技术

本发明专利技术公开了一种康复机器人及其人机协同交互力控制方法。所述康复机器人包括具有至少一关节的机械臂，所述康复机器人人机协同交互力控制方法包括：检测患者患侧肢作用于所述机械臂的作用力矩；生成所述机械臂的目标运动轨迹；建立所述机械臂的动力学模型；利用逆动力学原理计算产生所述目标运动轨迹所需的关节力矩；计算关节的摩擦补偿力矩和所述患者患侧肢的动力学补偿力矩；将所述关节力矩、所述作用力矩、所述动力学补偿力矩及所述摩擦补偿力矩，作为机械臂的控制输入。本发明专利技术能够提供患者与康复机械臂之间的柔顺性力交互控制，提供了完全的动力学补偿，提高了设备运动启动能力及灵活性，有利于改善患者对辅助康复训练的体验度。

【技术实现步骤摘要】
康复机器人及其人机协同交互力控制方法
本专利技术属于机器人人机交互领域，尤其涉及一种康复机器人及其人机协同交互力控制方法。
技术介绍
随着我国社会老龄化程度的加剧，由于脑卒中引起的上肢运动功能障碍患者正不断地增加，脑卒中患者数量巨大。其中大约75％脑卒中患者在发病后会留下不同程度的后遗症，严重影响患者的生活质量，并给患者家庭及社会带来极大负担。在众多的后遗症中，以偏瘫发生率最高，在偏瘫的康复中，又以上肢功能的康复最为困难。医学理论和临床医学证明，除手术治疗和药物治疗外，科学的康复训练对脑卒中偏瘫患者的肢体功能康复起着无比重要的作用，及时进行一定程度的集中和重复训练可以修复受损的中枢神经，有助于上肢运动功能的恢复。传统的康复训练存在医师不足、设备功能单一且成本较高、康复周期长、缺少科学的评价体系、多为被动训练，训练模式单一、过程乏味主动性差以及无法进行准确的康复状态评价等缺陷，因此研制能够克服上述缺点的上肢康复训练及评价设备显得尤为必要。上肢康复机器人作为一种康复医疗设备，通过辅助患者进行科学地、有效地康复训练，从而达到恢复患者运动功能的目的。它在康复训练中为患者提供安全保护的同时，加强患者的主动运动意图对患者运动功能康复具有强化和促进作用，有利于保持患者精神紧张度，加强神经肌肉运动通路的修复。在主动及助力控制模式下，患者与机器人之间的协同力交互控制技术是提高机器人运动柔顺性、灵活性及跟随性的关键技术，其严重影响着患者的体验度，对康复训练的效果有着重要的影响。该技术在协作机器人中应用较为广泛，但在康复机器人领域还需要更深层次应用。国内外已经开展了一些在康复机器人上采用力控制技术的研究，如哈尔滨工业大学机器人所公开了名称为“五自由度外骨骼式上肢康复机器人交互康复训练控制策略”的专利，其中采用基于位置的力控制技术，将末端受到的作用力通过比例控制器直接转化为机械臂末端的速度量，进而驱动机器人跟随意图对患肢进行康复的主动-辅助训练。上海大学公布了名称为“上肢运动训练机器人的控制装置及控制方法”的专利，其中介绍了沿预定轨迹的主动控制采用基于力位混合控制的阻抗控制，自由运动的主动控制采用基于力的阻抗控制。东北大学公布了名称为“一种上肢康复机器人康复训练运动控制方法”的专利，其中利用状态方程建立了机器人系统的动力学方程来实现运动控制，通过引入状态反馈来提高系统的跟踪性能及鲁棒稳定性。现有的康复训练设备存在的主要问题有：1、在主动及助力控制模式下，机器设备本身的重力补偿不足，柔顺性差，快速启动能力差，严重影响康复训练的效果；2、采用基于位置的力控制系统中，并不没有考虑动力学，没有动力学补偿，而是将力直接比例转化为末端运动速度或位置输出虽然一定程度提高了运动灵活性，康复手臂的随动效果仍然体验度不够好；3、状态方程建立复杂，计算量大，数据处理复杂，对控制系统要求比较高，并不一定能达到理想的跟随性和稳定性。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是为了克服现有技术所存在的康复机器人柔顺性差、快速启动差、随动效果不好、计算量大、数据处理复杂的缺陷，提供一种康复机器人及其人机协同交互力控制方法。本专利技术是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种康复机器人人机协同交互力控制方法，所述康复机器人包括具有至少一关节的机械臂，所述康复机器人人机协同交互力控制方法包括：检测患者患侧肢作用于所述机械臂的作用力矩；基于所述作用力矩，生成所述机械臂的目标运动轨迹；基于拉格朗日方法，建立所述机械臂的动力学模型；利用逆动力学原理计算产生所述目标运动轨迹所需的关节力矩；计算所述关节的摩擦补偿力矩和所述患者患侧肢的动力学补偿力矩；将所述关节力矩、所述作用力矩、所述动力学补偿力矩及所述摩擦补偿力矩，作为所述机械臂的控制输入。较佳地，所述康复机器人人机协同交互力控制方法还包括：实时获取所述关节反馈的运动信息，与所述目标轨迹比较后进行PD(比例-微分)反馈力矩控制。较佳地，所述动力学模型为：其中，τ是关节合力矩向量，q是关节角度位置向量，M(q)是惯性矩阵，是科氏力和离心力矩阵，G(q)是机械臂重力向量，B是粘性摩擦项，D是动摩擦项，τm是控制所述关节活动的电机产生的力矩，τh是由所述患者患侧肢的重力产生的力矩，τF是所述患者患侧肢的所述作用力矩。较佳地，基于所述作用力矩，生成所述康复机器人的目标运动轨迹的步骤，包括：检测所述关节的实际力矩；获取所述机械臂与所述患者患侧肢的重力之和对所述关节作用的参考力矩；计算所述实际力矩与所述参考力矩之间的差值，若所述差值为正则表示所述患者患侧肢的运动趋势与重力方向相同，若所述差值为负则表示所述患者患侧肢的运动趋势与重力方向相反；对所述差值进行PID(比例-积分-微分)控制调节，得到运动方向及运动速度：其中，Y(s)是传递函数，I(s)是输出速度，F(s)是检测到的力输入，I、B和K分别是积分、微分和比例系数；根据所述运动方向及所述运动速度，计算所述目标运动轨迹。较佳地，进行PD反馈力矩控制的控制律：其中，τ是作用于所述关节的指令力矩，τPD是PD反馈力矩，KP和KV分别是比例和微分系数，e是位置误差，q是关节角度位置向量，qd是关节角度目标位置向量。较佳地，计算摩擦补偿力矩和所述患者患侧肢的动力学补偿力矩的步骤包括：在所述关节启动前进行启动摩擦补偿，在所述关节启动后取消所述启动摩擦补偿，所述启动摩擦补偿与所述关节的运动方向相同。较佳地，计算摩擦补偿力矩和所述患者患侧肢的动力学补偿力矩的步骤包括：在所述关节启动后进行运动摩擦补偿，关节速度ω与运动摩擦力矩之间的数学模型其中，c1、c2、c3、c4、c5、c6为系数。一种康复机器人，所述康复机器人包括具有至少一关节的机械臂，所述康复机器人还包括人机协同交互力控制装置；所述人机协同交互力控制装置包括：检测模块，用于检测患者患侧肢作用于所述机械臂的作用力矩；轨迹发生器，用于基于所述作用力矩，生成所述机械臂的目标运动轨迹；模型建立模块，用于基于拉格朗日方法，建立所述机械臂的动力学模型；力矩计算模块，用于利用逆动力学原理计算产生所述目标运动轨迹所需的关节力矩；力矩补偿模块，用于计算所述关节的摩擦补偿力矩和所述患者患侧肢的动力学补偿力矩；控制输入模块，用于将所述关节力矩、所述作用力矩、所述动力学补偿力矩及所述摩擦补偿力矩，作为所述机械臂的控制输入。较佳地，所述康复机器人人机协同交互力控制装置还包括：反馈控制模块，用于实时获取所述关节反馈的运动信息，与所述目标轨迹比较后进行PD反馈力矩控制。较佳地，所述动力学模型为：其中，τ是关节合力矩向量，q是关节角度位置向量，M(q)是惯性矩阵，是科氏力和离心力矩阵，G(q)是机械臂重力向量，B是粘性摩擦项，D是动摩擦项，τm是控制所述关节活动的电机产生的力矩，τh是由所述患者患侧肢的重力产生的力矩，τF是所述患者患侧肢的所述作用力矩。较佳地，所述轨迹发生器用于：检测所述关节的实际力矩；获取所述机械臂与所述患者患侧肢的重力之和对所述关节作用的参考力矩；计算所述实际力矩与所述参考力矩之间的差值，若所述差值为正则表示所述患者患侧肢的运动趋势与重力方向相同，若所述差值为负则表示所述患者患侧肢的运动趋势与重力方向相反；对所述差值进行PID控制调节，得到运动本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种康复机器人人机协同交互力控制方法，其特征在于，所述康复机器人包括具有至少一关节的机械臂，所述康复机器人人机协同交互力控制方法包括：检测患者患侧肢作用于所述机械臂的作用力矩；基于所述作用力矩，生成所述机械臂的目标运动轨迹；基于拉格朗日方法，建立所述机械臂的动力学模型；利用逆动力学原理计算产生所述目标运动轨迹所需的关节力矩；计算所述关节的摩擦补偿力矩和所述患者患侧肢的动力学补偿力矩；将所述关节力矩、所述作用力矩、所述动力学补偿力矩及所述摩擦补偿力矩，作为所述机械臂的控制输入。

【技术特征摘要】
1.一种康复机器人人机协同交互力控制方法，其特征在于，所述康复机器人包括具有至少一关节的机械臂，所述康复机器人人机协同交互力控制方法包括：检测患者患侧肢作用于所述机械臂的作用力矩；基于所述作用力矩，生成所述机械臂的目标运动轨迹；基于拉格朗日方法，建立所述机械臂的动力学模型；利用逆动力学原理计算产生所述目标运动轨迹所需的关节力矩；计算所述关节的摩擦补偿力矩和所述患者患侧肢的动力学补偿力矩；将所述关节力矩、所述作用力矩、所述动力学补偿力矩及所述摩擦补偿力矩，作为所述机械臂的控制输入。2.如权利要求1所述的康复机器人人机协同交互力控制方法，其特征在于，所述康复机器人人机协同交互力控制方法还包括：实时获取所述关节反馈的运动信息，与所述目标轨迹比较后进行PD反馈力矩控制。3.如权利要求1所述的康复机器人人机协同交互力控制方法，其特征在于，所述动力学模型为：其中，τ是关节合力矩向量，q是关节角度位置向量，M(q)是惯性矩阵，是科氏力和离心力矩阵，G(q)是机械臂重力向量，B是粘性摩擦项，D是动摩擦项，τm是控制所述关节活动的电机产生的力矩，τh是由所述患者患侧肢的重力产生的力矩，τF是所述患者患侧肢的所述作用力矩。4.如权利要求1所述的康复机器人人机协同交互力控制方法，其特征在于，基于所述作用力矩，生成所述康复机器人的目标运动轨迹的步骤，包括：检测所述关节的实际力矩；获取所述机械臂与所述患者患侧肢的重力之和对所述关节作用的参考力矩；计算所述实际力矩与所述参考力矩之间的差值，若所述差值为正则表示所述患者患侧肢的运动趋势与重力方向相同，若所述差值为负则表示所述患者患侧肢的运动趋势与重力方向相反；对所述差值进行PID控制调节，得到运动方向及运动速度：其中，Y(s)是传递函数，I(s)是输出速度，F(s)是检测到的力矩输入，I、B和K分别是积分、微分和比例系数；根据所述运动方向及所述运动速度，计算所述目标运动轨迹。5.如权利要求2所述的康复机器人人机协同交互力控制方法，其特征在于，进行PD反馈力矩控制的控制律：其中，τ是作用于所述关节的指令力矩，τPD是PD反馈力矩，KP和KV分别是比例和微分系数，e是位置误差，q是关节角度位置向量，qd是关节角度目标位置向量。6.如权利要求1所述的康复机器人人机协同交互力控制方法，其特征在于，计算摩擦补偿力矩和所述患者患侧肢的动力学补偿力矩的步骤包括：在所述关节启动前进行启动摩擦补偿，在所述关节启动后取消所述启动摩擦补偿，所述启动摩擦补偿与所述关节的运动方向相同。7.如权利要求1所述的康复机器人人机协同交互力控制方法，其特征在于，计算摩擦补偿力矩和所述患者患侧肢的动力学补偿力矩的步骤包括：在所述关节启动后进行运动摩擦补偿，关节速度ω与运动摩擦力矩之间的...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙凤龙，郭凤仙，
申请(专利权)人：上海电气集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31