一种康复机器人等张运动控制方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种康复机器人等张运动控制方法及系统，该方法通过获取患者施加到机器人关节上的实际力矩，对实际力矩与可变负载的力矩求和，得到驱动力矩，将所述驱动力矩输入到导纳模型中，导纳模型根据所述驱动力矩输出机器人关节的康复运动轨迹，控制康复机器人带动患者运动，本发明专利技术提供的技术方案，由于对每个患者来说，可变负载是提前设置好的，是不变的，所以该运动为等张运动，通过改变负载的大小，可以实现不同阻力的等张运动；由于在等张运动训练过程中，可变负载的力矩会抵消一部分患者施加到机器人关节上的实际力矩，患者在训练过程中会感觉费力，提高了运动控制的跟踪精度，改善了系统的柔顺性，使治疗精准度提高。

【技术实现步骤摘要】
一种康复机器人等张运动控制方法及系统
本专利技术涉及康复机器人运动控制
，具体涉及一种康复机器人等张运动控制方法及系统。
技术介绍
随着全民运动的兴起，运动损伤的发生比例越来越高。康复机器人作为医疗机器人的一个重要分支，它的研究贯穿了康复医学、生物力学、机械学、机械力学、电子学、材料学、计算机科学以及机器人学等诸多领域，已经成为了国际机器人领域的一个研究热点。目前，康复机器人已经广泛地应用到康复护理、假肢和康复治疗等方面，这不仅促进了康复医学的发展，也带动了相关领域的新技术和新理论的发展。目前康复机器人，对于主动康复训练大多进行阻抗控制的研究，阻抗控制的基本思路是将力的偏差信号反馈到位置伺服环，而力的偏差信号和位置之间的关系称为目标阻抗，通过调节目标阻抗可以实现系统的柔顺控制。但阻抗控制的跟踪精度不高，系统的柔顺性不好，给患者的康复训练带来困难。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种康复机器人等张运动控制方法及系统，以解决现有技术中康复机器人阻抗控制中跟踪精度不高、柔顺性不好的问题。为实现以上目的，本专利技术采用如下技术方案：一种康复机器人等张运动控制方法，包括：获取患者施加到机器人关节上的实际力矩；读取预先设置的可变负载的力矩；对实际力矩与可变负载的力矩求和，并将求和结果输入到导纳模型中，以使导纳模型输出机器人关节的康复运动轨迹，控制康复机器人带动患者运动；其中，患者施加到机器人关节上的实际力矩与可变负载的力矩方向相反。优选地，所述方法，还包括：通过调节可变负载的力矩的大小实现不同阻力的等张康复运动；和/或，通过调节导纳模型中的导纳参数实现不同阻力的等张康复运动。优选地，所述获取患者施加到机器人关节上的实际力矩，包括：通过关节电机码盘，获取机器人关节的运动状态；通过关节力矩传感器，获取机器人关节实际受到的和力矩；根据机器人关节的运动状态，基于机器人动力学模型，求解出机器人关节所受的关节电机的驱动力矩；从所述和力矩中减去关节电机的驱动力矩，分离出患者施加到机器人关节上的实际力矩；其中，所述关节力矩传感器，安装在关节电机和机器人关节之间。优选地，所述导纳模型根据所述驱动力矩输出机器人关节的康复运动轨迹，控制康复机器人带动患者运动，具体为：导纳模型根据驱动力矩计算出机器人关节相应的运动增量；将运动增量和机器人实际位置叠加后，由伺服控制器控制机器人运动。优选地，所述导纳参数至少包括：惯性参数、阻尼参数、刚度参数。优选地，通过以下步骤优化所述导纳参数，包括：初始化惯性参数和阻尼参数，通过观察不同刚度参数下，机器人关节的运动速度时间变化图，选择系统柔顺性最好时所对应的刚度参数；将系统柔顺性最好时的刚度参数，及初始化的惯性参数输入到导纳模型，通过设置不同的阻尼参数，获取不同的运动速度时间变化曲线；选择理想的运动速度时间变化曲线所对应的阻尼参数，及系统柔顺性最好时的刚度参数输入到导纳模型，通过设置不同的惯性参数，获取不同的运动速度时间变化曲线；通过观察所述运动速度时间变化曲线，选择理解的机器人关节速度响应时间和系统柔顺性所对应的惯性参数。另外，本专利技术还提出了一种康复机器人等张运动控制系统，包括：获取模块，用于获取患者施加到机器人关节上的实际力矩；读取模块，用于读取预先设置的可变负载的力矩；计算模块，用于对实际力矩与可变负载的力矩求和，并将求和结果输入到导纳模型中，以使导纳模型输出机器人关节的康复运动轨迹，控制康复机器人带动患者运动；其中，患者施加到机器人关节上的实际力矩与可变负载的力矩方向相反。优选地，所述系统，还包括：调节模块，用于通过调节可变负载的力矩的大小实现不同阻力的等张康复运动；和/或，通过调节导纳模型中的导纳参数实现不同阻力的等张康复运动。优选地，所述导纳模型根据所述驱动力矩输出机器人关节的康复运动轨迹，控制康复机器人带动患者运动，具体为：导纳模型根据驱动力矩计算出机器人关节相应的运动增量；将运动增量和机器人实际位置叠加后，由伺服控制器控制机器人运动。另外，本专利技术还提出了一种康复机器人等张运动控制系统，包括：处理器，用于存储处理器可执行指令的存储器；其中，所述处理器被配置为：获取患者施加到机器人关节上的实际力矩；读取预先设置的可变负载的力矩；对实际力矩与可变负载的力矩求和，并将求和结果输入到导纳模型中，以使导纳模型输出机器人关节的康复运动轨迹，控制康复机器人带动患者运动；其中，患者施加到机器人关节上的实际力矩与可变负载的力矩方向相反。本专利技术采用以上技术方案，至少具备以下有益效果：通过获取患者施加到机器人关节上的实际力矩，对实际力矩与可变负载的力矩求和，得到驱动力矩，将所述驱动力矩输入到导纳模型中，导纳模型根据所述驱动力矩输出机器人关节的康复运动轨迹，控制康复机器人带动患者运动，本专利技术提供的技术方案，由于对每个患者来说，可变负载是提前设置好的，是不变的，所以该运动为等张运动，通过改变负载的大小，可以实现不同阻力的等张运动；由于在等张运动训练过程中，可变负载的力矩会抵消一部分患者施加到机器人关节上的实际力矩，患者在训练过程中会感觉费力，提高了运动控制的跟踪精度，改善了系统的柔顺性，使治疗精准度提高。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术一实施例提供的一种康复机器人等张运动控制方法的流程图；图2为本专利技术一实施例提供的康复机器人基本导纳控制模型的示意图；图3为本专利技术一实施例提供的基于导纳控制的等张运动控制模型的示意图；图4A～图4B为本专利技术一实施例提供的康复机器人等张运动控制的仿真模型；图5为本专利技术一实施例提供的不同刚度参数下机器人关节的速度时间变化曲线图；图6为本专利技术一实施例提供的不同阻尼参数下机器人关节的速度时间变化曲线图；图7为本专利技术一实施例提供的不同惯性参数下机器人关节的速度时间变化曲线图；图8为本专利技术一实施例提供的患者的实际力矩和可变负载的力矩曲线图；图9A～9B为本专利技术另一实施例提供的康复机器人等张运动控制的仿真模型；图10为本专利技术另一实施例提供的等张运动时机器人关节角度变化曲线图；图11为本专利技术另一实施例提供的等张运动时机器人关节速度变化曲线图；图12为本专利技术另一实施例提供的等张运动控制仿真模型检测到的患者力矩曲线图；图13为本专利技术另一实施例提供的等张运动时机器人关节速度变化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种康复机器人等张运动控制方法，其特征在于，包括：/n获取患者施加到机器人关节上的实际力矩；/n读取预先设置的可变负载的力矩；/n对实际力矩与可变负载的力矩求和，并将求和结果输入到导纳模型中，以使导纳模型输出机器人关节的康复运动轨迹，控制康复机器人带动患者运动；/n其中，患者施加到机器人关节上的实际力矩与可变负载的力矩方向相反。/n

【技术特征摘要】
1.一种康复机器人等张运动控制方法，其特征在于，包括：
获取患者施加到机器人关节上的实际力矩；
读取预先设置的可变负载的力矩；
对实际力矩与可变负载的力矩求和，并将求和结果输入到导纳模型中，以使导纳模型输出机器人关节的康复运动轨迹，控制康复机器人带动患者运动；
其中，患者施加到机器人关节上的实际力矩与可变负载的力矩方向相反。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法，还包括：
通过调节可变负载的力矩的大小实现不同阻力的等张康复运动；和/或，
通过调节导纳模型中的导纳参数实现不同阻力的等张康复运动。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取患者施加到机器人关节上的实际力矩，包括：
通过关节电机码盘，获取机器人关节的运动状态；
通过关节力矩传感器，获取机器人关节实际受到的和力矩；
根据机器人关节的运动状态，基于机器人动力学模型，求解出机器人关节所受的关节电机的驱动力矩；
从所述和力矩中减去关节电机的驱动力矩，分离出患者施加到机器人关节上的实际力矩；
其中，所述关节力矩传感器，安装在关节电机和机器人关节之间。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导纳模型根据所述驱动力矩输出机器人关节的康复运动轨迹，控制康复机器人带动患者运动，具体为：
导纳模型根据驱动力矩计算出机器人关节相应的运动增量；
将运动增量和机器人实际位置叠加后，由伺服控制器控制机器人运动。


5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述导纳参数至少包括：
惯性参数、阻尼参数、刚度参数。


6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过以下步骤优化所述导纳参数，包括：
初始化惯性参数和阻尼参数，通过观察不同刚度参数下，机器人关节的运动速度时间变化图，选择系统柔顺性最好时所对应的刚度参数；
将系统柔顺性最好时的刚度参数，及初始化...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛龙，曹莹瑜，张鑫，郭乐意，孙东升，云欣怡，
申请(专利权)人：北京石油化工学院，北京圣龙博睿科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11