一种基于势能场的镜像机械臂控制方法及镜像机械臂设备技术

本发明专利技术提供了一种基于势能场的镜像机械臂控制方法，应用于镜像机械臂设备，镜像机械臂设备包括主动臂、从动臂、设置在从动臂上的第一手柄和设置在主动臂上的第二手柄，基于势能场的镜像机械臂控制方法包括：获得对所述从动臂的第一运动数据，基于所述第一手柄的第一起始位置和所述第一运动数据建立第一势能场；将所述第一运动轨迹输入自适应控制器进行响应和跟踪，获得期望数据；基于所述第二手柄的第二起始位置和所述期望轨迹建立与所述第一势能场互为镜像的第二势能场；获得对所述主动臂的第二运动数据，基于所述第二运动数据与所述期望轨迹的轨迹差异，控制所述主动臂施加辅助力，保证机械臂始终处于安全位置。保证机械臂始终处于安全位置。保证机械臂始终处于安全位置。

【技术实现步骤摘要】
一种基于势能场的镜像机械臂控制方法及镜像机械臂设备


[0001]本专利技术涉及机器人控制
，具体而言，涉及一种基于势能场的镜像机械臂控制方法及镜像机械臂设备。

技术介绍

[0002]脑卒中是导致人们死亡的第二大原因，其发病率和致死率较高，大多数患有脑卒中的患者在经过治疗后仍会伴有不同程度的残疾，偏瘫是脑卒中常见的后遗症，肢体偏瘫严重影响了患者的日常生活活动，其主要表现为患侧肌力减、肢体痉挛以及活动受限。患者存在运动障碍的原因是其中枢神经受到了损伤，在神经系统受损后，通过改变剩余神经的活动以优化神经资源，可以恢复运动功能，基于此，上肢康复机器人应运而生，通过模拟康复师的康复手法，反复弯曲患侧臂肢体，但是此种镜像拉力器只能通过一侧的上肢输入力镜像控制另一侧上肢输入力，仅将镜像的力的复制作为其训练的目标，对输入力不加以控制，当一侧输入力过大时，另一侧的拉力器会输出一个较大的加速度或移动到一个较远的距离，容易拉伤使用者的上肢。

技术实现思路

[0003]本专利技术解决的问题是：如何控制机械臂输出纠偏力，使机械臂始终处于安全的位置。
[0004]为解决上述问题，本专利技术提供一种基于势能场的镜像机械臂控制方法，应用于镜像机械臂设备，所述镜像机械臂设备包括主动臂、从动臂、设置在所述从动臂上的第一手柄和设置在所述主动臂上的第二手柄，所述基于势能场的镜像机械臂控制方法包括：
[0005]获得对所述从动臂的第一运动数据，基于所述第一手柄的第一起始位置和所述第一运动数据建立第一势能场，其中，所述第一运动数据包括第一运动轨迹；将所述第一运动轨迹输入自适应控制器进行响应和跟踪，获得期望数据，其中，所述期望数据包括期望轨迹，所述期望轨迹为所述主动臂所需要到达的与所述从动臂互为镜像的位置；基于所述第二手柄的第二起始位置和所述期望轨迹建立与所述第一势能场互为镜像的第二势能场；获得对所述主动臂的第二运动数据，基于所述第二运动数据与所述期望轨迹的轨迹差异，控制所述主动臂施加辅助力，其中，所述第二运动数据包括第二运动轨迹，所述辅助力包括切向力和法向力，所述法向力由所述第二势能场提供。
[0006]相对于现有技术，本专利技术基于第一运动轨迹和第一运动数据建立第一势能场，再将第二势能场镜像建立在以第二手柄的第二初始位置为中心的主动臂的周围，可以使主动臂在偏离期望轨迹时，主动施加一个朝期望轨迹缓慢靠近的法向力，帮助主动臂的实际运动轨迹尽量与期望轨迹拟合，更好地进行辅助训练，也保证用户在控制主动臂进行跟随训练时，主动臂的位置始终处于一个安全的位置；通过比较期望轨迹与第二运动数据的轨迹差异，对主动臂施加切向力和法向力，更准确地控制主动臂进行力的输出，防止输出的力过大而拉伤用户。
[0007]可选地，所述获得对所述主动臂的第二运动数据，基于所述第二运动数据与所述期望轨迹的轨迹差异，控制所述主动臂施加辅助力包括：
[0008]计算所述第二运动数据相对于所述期望轨迹的所述轨迹差异，基于所述轨迹差异与预设的初始权重获得刚度系数参数；基于所述刚度系数参数调整所述第二势能场的强度，所述第二势能场用于控制主动臂施加向所述期望轨迹的法线方向的所述法向力。
[0009]由此，通过轨迹差异获得刚度系数参数，通过刚度系数参数调整势能场强度，从而控制主动臂施加的法向力大小，保证法向力是基于轨迹差异而得出的，法向力不会过大而导致伤害用户，也不会过小而导致训练强度过差。
[0010]可选地，在所述基于所述刚度系数参数调整所述第二势能场的强度之后，还包括：
[0011]再次获取对所述主动臂的所述第二运动数据；基于再次获取的所述第二运动数据与所述期望轨迹计算所述轨迹差异，基于所述轨迹差异更新所述刚度系数参数；基于更新后的所述刚度系数参数进一步调整所述第二势能场的强度。
[0012]由此，通过多次获取第二运动数据而获得轨迹差异，优化势能场的强度，保证获得最适于用户训练的势能场强度。
[0013]可选地，所述第一运动数据还包括第一输入力，所述第二运动数据还包括第二输入力；所述计算所述第二运动数据相对于所述期望轨迹的所述轨迹差异，基于所述轨迹差异与预设的初始权重获得刚度系数参数包括：
[0014]对所述主动臂或所述从动臂进行动力学建模，获得第一动力学模型；基于所述第一动力学模型、所述第二运动数据与所述轨迹差异，控制所述主动臂输出阻抗辅助力，所述阻抗辅助力用于对所述主动臂施加向所述期望轨迹的切线方向的所述切向力。
[0015]由此，通过动力学建模，可以实现对机械臂的精确控制，进而控制机械臂输出较为平滑的相对于期望轨迹切线方向的阻抗辅助力，配合势能场，保证对主动臂进行法向和切向的完全控制。
[0016]可选地，所述对所述主动臂或所述从动臂进行动力学建模，获得第一动力学模型包括：
[0017]对所述主动臂或所述从动臂进行DH建模。
[0018]由此，通过DH建模实现对机械臂的精确控制。
[0019]可选地，所述基于所述第二手柄的第二起始位置和所述期望轨迹建立与所述第一势能场互为镜像的第二势能场之后，还包括：
[0020]基于所述第二手柄的实际位置与所述期望轨迹之间的距离，建立阻尼场，其中，所述阻尼场中阻尼力的大小与所述实际位置和所述期望轨迹的最小距离呈正相关。
[0021]由此，在主动臂偏离期望轨迹时，通过阻尼力防止主动臂偏离目标，使训练更加安全。
[0022]可选地，基于所述第二手柄的实际位置与所述期望轨迹之间的距离，建立阻尼场，其中，所述阻尼场中阻尼力的大小与所述实际位置和所述期望轨迹的最小距离呈正相关包括：
[0023]所述阻尼力通过如下公式设置：
[0024][0025]其中，α表示距离系数，F
B
表示所述阻尼力，B0表示预设的最小阻尼力， L表示所述第二手柄的所述位置与所述期望轨迹的最小距离，表示所述第二手柄在所述实际位置的的速度。
[0026]由此，阻尼力与距离呈正相关关系，第二手柄的位置偏离期望轨迹的程度越大，阻尼力就越大，防止主动臂过于偏离期望轨迹，保证训练的安全性。
[0027]可选地，所述轨迹差异为所述第二运动轨迹与所述期望轨迹上预设的每个采样点之间的平均距离。
[0028]由此，可以更加精准地获取轨迹差异。
[0029]可选地，所述辅助力还包括重力补偿力和摩擦力补偿力。
[0030]由此，在辅助力中加入重力补偿和摩擦力补偿可以保证主动臂的输出更适应实际需要，减小控制误差。
[0031]另一方面，本专利技术还提出一种镜像机械臂设备，包括存储有计算机程序的计算机可读存储介质和处理器，所述计算机程序被所述处理器读取并运行时，实现如上任一项所述的机械臂镜像阻抗控制方法。
[0032]所述镜像机械臂设备相对于现有技术与所述机械臂镜像阻抗控制方法所具有的优势相同，在此不再赘述。
附图说明
[0033]图1为本专利技术实施例的机械臂镜像阻抗控制方法的流程示意图；
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于势能场的镜像机械臂控制方法，其特征在于，应用于镜像机械臂设备，所述镜像机械臂设备包括主动臂、从动臂、设置在所述从动臂上的第一手柄和设置在所述主动臂上的第二手柄，所述基于势能场的镜像机械臂控制方法包括：获得对所述从动臂的第一运动数据，基于所述第一手柄的第一起始位置和所述第一运动数据建立第一势能场，其中，所述第一运动数据包括第一运动轨迹；将所述第一运动轨迹输入自适应控制器进行响应和跟踪，获得期望数据，其中，所述期望数据包括期望轨迹，所述期望轨迹为所述主动臂所需要到达的与所述从动臂互为镜像的位置；基于所述第二手柄的第二起始位置和所述期望轨迹建立与所述第一势能场互为镜像的第二势能场；获得对所述主动臂的第二运动数据，基于所述第二运动数据与所述期望轨迹的轨迹差异，控制所述主动臂施加辅助力，其中，所述第二运动数据包括第二运动轨迹，所述辅助力包括切向力和法向力，所述法向力由所述第二势能场提供。2.根据权利要求1所述的基于势能场的镜像机械臂控制方法，其特征在于，所述获得对所述主动臂的第二运动数据，基于所述第二运动数据与所述期望轨迹的轨迹差异，控制所述主动臂施加辅助力包括：计算所述第二运动数据相对于所述期望轨迹的所述轨迹差异，基于所述轨迹差异与预设的初始权重获得刚度系数参数；基于所述刚度系数参数调整所述第二势能场的强度，其中，所述第二势能场用于控制所述主动臂施加向所述期望轨迹的法线方向的所述法向力。3.根据权利要求2所述的基于势能场的镜像机械臂控制方法，其特征在于，在所述基于所述刚度系数参数调整所述第二势能场的强度之后，还包括：再次获取对所述主动臂的所述第二运动数据；基于再次获取的所述第二运动数据与所述期望轨迹计算所述轨迹差异，基于所述轨迹差异更新所述刚度系数参数；基于更新后的所述刚度系数参数进一步调整所述第二势能场的强度。4.根据权利要求2所述的基于势能场的镜像机械臂控制方法，其特征在于，所述第一运动数据还包括第一输入力，所述第二运动数据还包括第二输入力；所述计算所述第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：张佳楫，冯光，左国坤，胡静艳，施长城，宋涛，徐佳琳，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：