一种机器人辅助站立轨迹生成方法技术

本发明专利技术提供了一种机器人辅助站立轨迹生成方法，包括如下步骤：步骤1：获取人体测量学参数，包括人体脚部，小腿，大腿及整体上肢躯干的长度，质量，质心位置及转动惯量；步骤2：将人体测量学参数输入到人体简化模型中，得到人体简化动力学模型，将简化动力学模型转化为以人体关节力矩作为控制量，人体关节角度和角速度为状态量的状态空间方程；步骤3：将得到的状态空间方程输入机器人辅助站立轨迹生成器中，得到轨迹。本发明专利技术可以根据不同人体的身高，体重及身体状况生成不同的辅助站立轨迹，增强了机器人辅助站立轨迹对不同人体的适应性，免去了通过外部传感器采集人体姿态来生成辅助轨迹的麻烦。的麻烦。的麻烦。

【技术实现步骤摘要】
一种机器人辅助站立轨迹生成方法


[0001]本专利技术涉及医疗辅助康复领域，具体地，涉及一种机器人辅助站立轨迹生成方法。

技术介绍

[0002]由于年龄的增长或其他疾病导致的下肢肌力下降是许多老年人和残疾人无法完成自主站立和行走的主要原因，对这类人群的转移和搬运是护理工作的重要组成部分。使用机器人代替护理人员完成转移和搬运工作能够极大减轻护理人员的工作负担。目前大量研究机构和医疗设备公司都在开发和研制用于转移和搬运老年人的机器人或其他辅助设备。这些设备按照转移和搬运的方式可以分为吊袋式，背抱式，站立式等。其中，站立式的转移设备一般依靠助力带和连杆机构将使用者从坐姿转换为站姿。目前，大部分此类设备在完成辅助使用者从坐姿转换到站姿的任务时都只是简单的从臀部或腋下将使用者匀速扶起，而没有考虑人的生物力学特性及人在完成自然站立过程中的姿态变化。
[0003]公开号为CN110522574A的中国专利技术专利通过座椅和脚踏板上的测力装置检测人体的站立姿态，并通过调整座椅的角度和高度来达到辅助使用者以某种轨迹站立的目的。但这种辅助轨迹生成方法需要在设备上增加传感器来监测使用者的姿态，增加了设备的成本。
[0004]公开号为CN109124916A中国专利技术专利通过测力台及人体姿态捕捉系统对人体站立过程的重心轨迹和压力曲线进行分析，设计出人体站立过程各阶段的运动轨迹及其力学辅助站立的力学参数。但这种轨迹的生成受实验测试时测试者的身材影响，当使用者与测试者的身材差异较大时，以测试者为模板生成的站立轨迹对使用者来说并不适用。
[0005]Asker A[1](Asker A,Assal S F M,Ding M,et al.Modeling of natural sit
‑
to
‑
stand movement based on minimum jerk criterion for natural
‑
like assistance and rehabilitation[J].Advanced Robotics,2017,31(17):901
‑
917.)等人设计了一种模仿人体自然站立过程的站立辅助系统，采用最小跳动准则对人体自然站立过程建模。该模型能够根据不同使用者的身高信息生成不同的人在站立过程中肩关节及髋关节的轨迹，系统依据生成的轨迹在使用者肩关节和髋关节处为使用者提供助力。但这种轨迹生成方式没有考虑人在站立过程中身体的平衡要求，也没有考虑使用者的体重对站立轨迹的影响。
[0006]Geravand M[2](Geravand M,Korondi P Z,Werner C,et al.Human sit
‑
to
‑
stand transfer modeling towards intuitive and biologically
‑
inspired robot assistance[J].Autonomous Robots,2017,41(3):575
‑
592.)等人将人体简化为一个六连杆模型，将人体站立过程表示为一个考虑控制点精度，人体平衡性，能量消耗及人体关节约束的最优控制问题。通过求解这个问题得到符合上述条件的优化轨迹。但他们在设计最优控制问题时没有考虑站立辅助系统末端执行机构的约束，这使得站立辅助系统可能无法按照生成的轨迹完成辅助站立任务。同时，他们也没有考虑人体自然站立过程中身体前倾的阶段人体轨迹的变化。

技术实现思路

[0007]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种机器人辅助站立轨迹生成方法。
[0008]根据本专利技术提供的一种机器人辅助站立轨迹生成方法，包括如下步骤：
[0009]步骤1：获取人体测量学参数，包括人体脚部，小腿，大腿及整体上肢躯干的长度，质量，质心位置及转动惯量；
[0010]步骤2：将人体测量学参数输入到人体简化模型中，得到人体简化动力学模型，将人体简化动力学模型转化为以人体关节力矩作为控制量，人体关节角度和角速度为状态量的状态空间方程；
[0011]步骤3：将得到的状态空间方程输入机器人辅助站立轨迹生成器中，得到轨迹。
[0012]优选地，所述步骤1中人体测量学参数的获取方式通过以下两种中的任意一种：
[0013]A.通过实验测量标定；
[0014]B.通过国家标准《GBT7245
‑
4成年人人体惯性参数》，由实际身高和体重估算得到。
[0015]优选地，所述人体简化模型为一个平面四连杆模型，其中：
[0016]人体脚部为第一连杆，固定于地面上；
[0017]人体小腿为第二连杆，与第一连杆通过旋转关节相连；
[0018]人体大腿为第三连杆，与第二连杆通过旋转关节相连；
[0019]整体上肢躯干为第四连杆，与第三连杆通过旋转关节相连。
[0020]优选地，所述状态空间方程如下：
[0021][0022]其中θ＝[θ
1 θ
2 θ3]T
，表示人体关节角度，θ1为踝关节角度，θ2为膝关节角度，θ3为髋关节角度；
[0023]表示状态变量；
[0024]τ＝[τ
1 τ
2 τ3]T
表示控制量，即人体关节力矩，τ1为踝关节力矩，τ2为膝关节力矩，τ3为髋关节力矩；
[0025]表示人体简化模型的质量矩阵；
[0026]C(θ)＝[C
1 C
2 C3]T
表示离心力及科氏力矩阵；
[0027]G(θ)＝g
×
[G
1 G
2 G3]T
表示重力矩阵，g为重力加速度；
[0028]表示机器人与人体接触位置的雅克比矩阵；
[0029]F
N
＝[F
Nx F
Ny
]T
表示机器人与人体接触位置的接触力。
[0030]优选地，所述机器人辅助站立轨迹生成器包括：
[0031]身体前倾轨迹生成器：模仿人体自然站立过程中身体前倾的阶段，上肢躯干以髋关节为轴心匀速旋转，直至人体平衡点在地面的投影点落在人体支撑区域内；
[0032]身体伸展轨迹生成器：模仿人体自然站立过程中发力站起的阶段，髋关节及膝关
节伸展带动身体站起至完全直立状态，为最小化这一过程中人体的能量消耗，将这个过程转化为一个初始状态固定，末端状态固定的轨迹优化问题，通过转化为一个非线性规划问题来求解得到从初始状态到末端状态的最优轨迹。
[0033]优选地，所述人体平衡点p
ZMPt
在地面的投影点的计算公式为：
[0034][0035]其中m
i
表示第i个连杆的质量；
[0036]p
xi
表示第i个连杆的质心位置在全局坐标系下的横坐标坐标；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种机器人辅助站立轨迹生成方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：获取人体测量学参数，包括人体脚部，小腿，大腿及整体上肢躯干的长度，质量，质心位置及转动惯量；步骤2：将人体测量学参数输入到人体简化模型中，得到人体简化动力学模型，将人体简化动力学模型转化为以人体关节力矩作为控制量，人体关节角度和角速度为状态量的状态空间方程；步骤3：将得到的状态空间方程输入机器人辅助站立轨迹生成器中，得到轨迹。2.根据权利要求1所述的机器人辅助站立轨迹生成方法，其特征在于，所述步骤1中人体测量学参数的获取方式通过以下两种中的任意一种：A.通过实验测量标定；B.通过国家标准《GBT7245
‑
4成年人人体惯性参数》，由实际身高和体重估算得到。3.根据权利要求1所述的机器人辅助站立轨迹生成方法，其特征在于，所述人体简化模型为一个平面四连杆模型，其中：人体脚部为第一连杆，固定于地面上；人体小腿为第二连杆，与第一连杆通过旋转关节相连；人体大腿为第三连杆，与第二连杆通过旋转关节相连；整体上肢躯干为第四连杆，与第三连杆通过旋转关节相连。4.根据权利要求1所述的机器人辅助站立轨迹生成方法，其特征在于，所述状态空间方程如下：其中θ＝[θ
1 θ
2 θ3]
T
，表示人体关节角度，θ1为踝关节角度，θ2为膝关节角度，θ3为髋关节角度；表示状态变量；τ＝[τ
1 τ
2 τ3]
T
表示控制量，即人体关节力矩，τ1为踝关节力矩，τ2为膝关节力矩，τ3为髋关节力矩；表示人体简化模型的质量矩阵；C(θ)＝[C
1 C
2 C3]
T
表示离心力及科氏力矩阵；G(θ)＝g
×
[G
1 G
2 G3]
T
表示重力矩阵，g为重力加速度；表示机器人与人体接触位置的雅克比矩阵；F
N
＝[F
Nx F
Ny
]
T
表示机器人与人体接触位置的接触力。5.根据权利要求1所述的机器人辅助站立轨迹生成方法，其特征在于，所述机器人辅助站立轨迹生成器包括：身体前倾轨迹生成器：模仿人体自然站立过程中身体前倾的阶段，上肢躯干以髋关节为轴心匀速旋转，直至人体平衡点在地面的投影点落在人体支撑区域内；
身体伸展轨迹生成器：模仿人体自然站立过程中发力站起的阶段，髋关节及膝关节伸展带动身体站起至完全直立状态，为最小化这一过程中人体的能量消耗，将这个过程转化为一个初始状态固定，末端状态固定的轨迹优化问题，通过转化为一个非线性规划问题来求解得到从初始状态到末端状态的最优轨迹。6.根据权利要求5所述的机器人辅助站立轨迹生成方法，其特征在于，所述人体平衡点p
ZMPt
在地面...

【专利技术属性】
技术研发人员：王景川，吴锐凯，谢宇辉，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：