一种面向动态交互的对象肢体时变刚度辨识方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种面向动态交互的对象肢体时变刚度辨识方法及装置，属于肢体刚度测量领域，方法包括：采集对象肢体位移与实测力数据组合或角度与实测力矩数据组合；基于二阶阻抗模型构建的时变动力学系统，利用线性变参数法，替代时变阻抗参数并重建回复力/力矩表达；根据基函数展开的动态交互力/力矩表达式使用时变动力学参数对变量权重、动态交互力/力矩和回复力/力矩进行迭代辨识；依照替代时变阻抗参数的表达式，使用变量权重及动态交互力/力矩解算时变刚度。本发明专利技术不仅提高了时变刚度辨识技术的精度而且扩展了时变刚度辨识技术的应用场景。的应用场景。的应用场景。

【技术实现步骤摘要】
一种面向动态交互的对象肢体时变刚度辨识方法及装置


[0001]本专利技术属于肢体刚度测量领域，更具体地，涉及一种面向动态交互的对象肢体时变刚度辨识方法及装置。

技术介绍

[0002]在日常生活中面对丰富多样的运动任务，如行走、跑步、上下楼梯等下肢任务，抑或是接球、举重物这样的上肢任务，生物个体总能表现出卓越的运动稳定性，这得益于生物个体丰富的组织构成和快速高效的神经调控机制。当生物个体的肢体与环境或物体进行动态交互时，中枢神经系统会根据不同的任务需求以调节肢体的刚度特性，从而保持动态交互过程中肢体末端或关节的稳定。
[0003]现有刚度研究分为两类，即时不变刚度研究与时变刚度研究。时不变刚度研究假设生物个体的刚度不随时间发生变化，显然这一过程不符合生物个体在与环境或物体动态交互过程中刚度实时变化的特征。因此，研究生物个体时变刚度特征不仅有助于探明生物个体时变刚度的调节机理，将生物个体时变刚度调节机制引入到机器人系统的人机交互控制、自适应变阻抗控制、变阻抗驱动器的研究中还能够显著提升机器人系统的性能表现。生物个体时变刚度的辨识是这类研究的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向动态交互的对象肢体时变刚度辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：在随机微扰动运动环境下，对象保持肢体姿态不变，通过改变肌肉状态，采集对象肢体位移与实测力数据组合或角度与实测力矩数据组合；基于替代时变阻抗参数的回复力/力矩表达式以及基函数展开的动态交互力/力矩的表达式，根据对象肢体位移与实测力数据组合或角度与实测力矩数据组合，采用时变动力学参数对动态交互力/力矩和回复力/力矩进行迭代辨识；利用参数迭代辨识过程中得到的线性系数矩阵及动态交互力/力矩，依照替代时变阻抗参数的回复力/力矩表达式解算对象肢体时变刚度；其中，替代时变阻抗参数的回复力/力矩的表达式获取方法，包括以下步骤：根据对象肢体时变阻抗特性，利用二阶阻抗模型，构建对象肢体的时变动力学模型；利用线性变参数法，将时变动力学模型中对象肢体的时变阻尼参数以及对象肢体的时变刚度参数构建为以调度变量为自变量的函数加权和，对回复力/力矩进行变形转换，获取替代时变阻抗参数的回复力/力矩的表达式；其中，动态交互力/力矩为调度变量；采用基函数展开的动态交互力/力矩的表达式的获取方法为：将动态交互力/力矩进行基函数展开，采用扰动持续区间内的基函数序列以及基函数的权重表示动态交互力/力矩。2.根据权利要求1所述的对象肢体时变刚度辨识方法，其特征在于，采用时变动力学参数对动态交互力/力矩和回复力/力矩进行迭代辨识的方法，包括以下步骤：(1)采集的对象肢体位移与实测力数据组合或角度与实测力矩数据组合，并初始化回复力/力矩的估计值为0；(2)基于对象肢体位移与实测力数据组合或角度与实测力矩数据组合，结合当前迭代下的回复力/力矩的估计值，根据实测力/力矩等于回复力/力矩与动态交互力/力矩之和，获取动态交互力/力矩的中间变量；(3)根据基函数展开的动态交互力/力矩的表达式，采用动态交互力/力矩的中间变量辨识基函数的权重；(4)利用基函数的权重以及扰动持续区间内的基函数序列，获取当前迭代下的动态交互力/力矩的估计值；(5)根据实测力/力矩等于回复力/力矩与动态交互力/力矩之和，获取回复力/力矩的中间变量；(6)基于替代时变阻抗参数的回复力/力矩的表达式，采用回复力/力矩的中间变量，获取线性系数矩阵；(7)根据位移参数矩阵以及当前迭代下获取的线性系数矩阵，获取当前迭代下的回复力/力矩的估计值；(8)转至步骤(2)，直至实际迭代次数达到预定的最大迭代次数，输出最后一次迭代下获取的线性系数矩阵、回复力/力矩的估计值和动态交互力/力矩的估计值。3.根据权利要求1或2所述的对象肢体时变刚度辨识方法，其特征在于，采集对象肢体位移与实测力数据组合或角度与实测力矩数据组合的方法为：在随机微扰动运动环境下，对象肢体保持姿态不变，将对象肢体的肢体末端或关节与协作型机械臂连接；
在扰动时间内，对象肢体完成至少一个动态力/力矩交互周期，采集对象肢体位移与力数据组合或角度与力矩数据组合；其中，一个动态力/力矩为在协作型机械臂的X、Y和Z三个方向/旋转轴均按先增加正向的交互力/力矩后减小为0，再增加负向的交互力/力矩后再减小为0的规律施加交互力/力矩。4.根据权利要求1所述的对象肢体时变刚度辨识方法，其特征在于，替代时变阻抗参数的回复力/力矩的表达式为：的回复力/力矩的表达式为：β＝[I b
0 b1ꢀ…ꢀ
b
P a
0 a1ꢀ…ꢀ
a
P
]
T
其中，I是对象肢体的惯性参数，g
i
(f
v
(t))为以动态交互力/力矩f
v
(t)为自变量的函数，a0…
P
、b0…
P
为第0
…
P阶函数的权重，P为所用函数最大阶数，f
r
(t)是对象肢体的回复力/力矩，x(t)是由光学运动捕捉系统采集的对象肢体位移/角度,β是由对象肢体的惯性参数I、第0
…
P阶函数的权重a0…
P
、b0…
P
构成的线性系数矩阵，是由变量x
g
(i,t)、对象肢体位移/角度的二阶导构成的位移参数矩阵，x
g
(i,t)是由函数g
i
(f
v
(t))和对象肢体位移/角度x(t)构建的中间变量，是由函数g
i
(f
v
(t))和对象肢体位移/角度的一阶导构建的中间变量，i是g
i
函数的阶数，t为时间。5.根据权利要求1所述的对象肢体时变刚度辨识方法，其特征在于，采用基函数展开的动态交互力/力矩的表达式为：其中，f
v
(t)为动态交互力，h
j
(t)为扰动持续区间内的基函数序列，c
j
代表第j阶基函数的权重，Q为所使用基函数的最大阶数，t为时间。6.一种面向动态交互的对象肢体时变刚度辨识装置，其特征在于，包括：数据采集系统、回复力/...

【专利技术属性】
技术研发人员：张琴，陈豫生，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：