一种基于协作机械臂的人体上肢多维末端刚度测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于协作机械臂的人体上肢多维末端刚度测量方法，属于肢体刚度测量领域。首先，产生特定频带范围内的多维随机微扰动，使用多自由度协作机械臂对人体上肢末端施加产生的扰动，并采用多输入多输出系统的参数辨识方法解算多维的末端刚度参数。本发明专利技术提出了利用多自由度协作机械臂产生扰动来进行人体上肢末端刚度测量，无需专门开发扰动设备就能产生满足幅值与频带范围要求的随机扰动，省去了开发专用型测量装置的复杂过程，降低了人体上肢末端刚度测量的难度，结合多维随机扰动的产生与多输入多输出系统的参数辨识方法，在机械臂工具端能实现足够多维度的运动的情况下，可以根据测量需求实现一维、二维或三维的人体上肢末端刚度测量。的人体上肢末端刚度测量。的人体上肢末端刚度测量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于协作机械臂的人体上肢多维末端刚度测量方法


[0001]本专利技术属于肢体刚度测量领域，更具体的，涉及一种基于协作机械臂的人体上肢多维末端刚度测量方法。

技术介绍

[0002]人体的肢体刚度描述了肢体抵抗外界干扰的强烈程度，肢体的刚度调节特性对维持肢体与未知环境的稳定交互起着至关重要的作用。由于人体上肢末端执行了人体大部分的复杂交互任务，上肢末端刚度受到广泛的关注。获取上肢末端刚度的方法是对上肢末端施加微小的扰动并采集扰动引发的末端回复力，再通过末端动力学模型解算得到刚度参数。尽管扰动的幅值与频带范围设定会影响刚度测量结果，但为了保证测量的精准度，所施加的扰动需要满足三个基本条件：1)幅度在10mm以内以保证受试者上肢姿态近似不变，2)具有随机性以避免受试者产生自发反应，3)在期望研究的频带范围内有均衡的扰动功率。
[0003]传统的方案大多是根据研究需求而专门开发连杆式机电设备来用于末端刚度测量，所需的开发时间长，所产生的扰动特征强烈依赖于测量设备的设计特点而难以同时满足扰动所需条件，且大多只能应用于二维末端刚度测量。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于协作机械臂的人体上肢多维末端刚度测量方法，其特征在于，其包括依次执行的如下步骤：(1)生成扰动控制信息，以用于发送给机械臂工具端，运动控制信息包括位置序列d
s
与对应的时间序列t
s
，(2)受试者以上肢握住机械臂工具端的握把，按照t
s
中的时间信息向机械臂发送对应的d
s
中的目标位置信息，使机械臂执行扰动，收集上肢末端回复力数据f和上肢末端的位移数据x，(3)根据上肢末端回复力数据f和上肢末端的位移数据x，进行刚度解算，获得人体上肢多维的末端刚度值。2.如权利要求1所述的一种基于协作机械臂的人体上肢多维末端刚度测量方法，其特征在于，步骤(1)中，为使产生的扰动能满足频带范围的需求，构建双边的理想幅值谱函数，为满足N维测量需求，分别构建N个服从区间(-π,π)上均匀分布的随机相位谱函数，将理想幅值谱函数与随机相位谱函数相结合，得到期望频谱函数，对期望频谱函数进行反快速傅里叶变换得到对应的时域函数，时域函数为离散的位置序列，对时域函数执行缩放，以满足扰动幅值条件，将缩放后时域函数的关键点作为扰动位置目标，从而获得位置序列d
s
与对应的时间序列t
s
。3.如权利要求2所述的一种基于协作机械臂的人体上肢多维末端刚度测量方法，其特征在于，步骤(1)的具体步骤为：设所使用机械臂的控制频率为f
c
，产生扰动的总持续时间为t
a
，总控制点数num＝t
a
f
c
，num为偶数，(1.1)构建理想幅值谱函数设期望的频带范围的上限是f
h
，下限是f
l
，构建双边的理想幅值谱函数A(n)如下：其中，n为控制点序号，n＝1,2,
…
,num，t
a
为扰动的总持续时间，num为总控制点数，(1.2)构建随机相位谱函数设需测量维度为N的末端刚度，分别构建N个服从区间(-π,π)上均匀分布的单边随机相位谱函数如下：其中，i代表维度序号，i＝1,2,
…
,N，m为控制点序号，m＝1,2,
…
,num/2，每个维度上的充分随机且相互独立的，保证产生的扰动具有很强的随机性，则双边的随机相位谱函数如下：其中i代表维度序号，n为控制点序号，num为总控制点数，(1.3)变换为时域位置函数将理想幅值谱函数与随机相位谱函数相结合，得到N个期望频谱函数D
i
(n)：
其中，n为控制点序号，表示虚数单位，对期望频谱函数进行反快速傅里叶变换得到对应的时域函数d
i
(k)如下：d
i
(k)＝ifft(D
i
(n))d
i
(k)是离散的位置序列，k为位置序号，k＝1,2,
…
,num，(1.4)扰动幅值缩放设定实际施加扰动的最大幅值为d
max
，依据位置序列d
i
(k)与扰动中心点的欧氏距离的最大值，对d
i
(k)进行缩放以满足幅值条件，缩放后的位置序列如下...

【专利技术属性】
技术研发人员：张琴，刘济汉，熊蔡华，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：