一种下肢康复机器人的人机系统运动学参数辨识及控制方法技术方案

本发明专利技术提供了一种下肢康复机器人的人机系统运动学参数辨识及控制方法，实现了下肢康复机器人使用过程中对使用者下肢参数的自动测量和对使用者下肢状态的控制，包括：利用固定在下肢的倾角传感器读取下肢姿态并控制机器人带动使用者下肢运动，在运动过程中实时采集数据进行人机运动学参数的辨识计算；建立关节空间和训练空间的映射关系；根据建立好的映射关系对将预设好的人体下肢运动轨迹映射为下肢康复机器人的运动轨迹，通过对下肢康复机器人进行位置控制带动使用者下肢进行康复训练，最后通过无模型控制方法控制人体下肢达到指定位置，消除映射关系不准确带来的影响。本发明专利技术实现了下肢康复机器人使用过程中对人体下肢姿态的准确控制。下肢姿态的准确控制。下肢姿态的准确控制。

【技术实现步骤摘要】
一种下肢康复机器人的人机系统运动学参数辨识及控制方法


[0001]本专利技术涉及一种下肢康复机器人的人机系统运动学参数辨识及控制方法，用于实现下肢康复机器人使用过程中对人机系统运动学参数的自动识别和对使用者下肢姿态的控制。

技术介绍

[0002]21世纪是人口老龄化的时代，人口老龄化带来的最显著影响就是由于身体衰老而出现的肢体运动障碍，肢体运动障碍已经成为老年人必须面对的一大问题。康复训练机器人作为一种新型机器人，近年来吸引着越来越多研究人员的目光。康复训练机器人可以帮助患者完成指定运动功能的恢复训练与传统依赖于治疗师经验的康复训练相比，康复训练机器人可以在节省治疗师时间的同时，帮助不同患者执行对应康复训练并对患者实时状态进行评估。近年来的研究表明，在康复训练机器人的帮助下，患者对应运动机能可以得到很好的恢复。
[0003]目前的下肢康复机器人大多是通过控制机器人末端位置带动下肢进行运动，在此过程中并不能控制下肢的具体状态，一旦末端轨迹规划不合理，则可能对肢体造成损伤。因此，对人机系统运动学参数进行辨识、建立起训练空间与关节空间的映射关系并以此对下肢状态进行控制具有十分重要的现实意义。

技术实现思路

[0004]针对上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种下肢康复机器人的人机系统运动学参数辨识及控制方法，通过采集人体下肢的状态对人机系统运动学参数进行辨识，建立关节空间和训练空间的映射，实现对人体下肢状态的准确控制，以提高康复效果。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提供一种下肢康复机器人的人机系统运动学参数辨识及控制方法，所述人机系统为使用者髋关节位置固定，使用者足跟与下肢康复机器人末端固定的系统，所述人机系统运动学参数辨识方法辨识的参数包括人体下肢长度和人体与下肢康复机器人相对位置；所述运动控制方法将人体下肢规划的运动轨迹态映射为下肢康复机器人的运动轨迹，并利用速度和位置伺服控制康复机器人运动；
[0006]所述误差补偿方法在下肢康复机器人运动到指定位姿后，读取使用者下肢实际位姿，使用无模型控制方法来消除因映射关系不准确带来的误差，使使用者下肢实际位姿收敛于期望位姿。
[0007]所述的下肢康复机器人的人机系统运动学参数辨识及控制方法包括如下步骤：
[0008]S1.使用者佩戴下肢姿态检测传感器；
[0009]S2.控制下肢康复机器人牵引使用者下肢运动，采集机器人及使用者下肢实时位姿数据；
[0010]S3.根据S2中采集的数据，人机系统运动学参数辨识方法对人体下肢长度和人体与下肢康复机器人相对位置进行辨识；
[0011]S4.依据S3中的辨识结果建立人体下肢运动和下肢康复机器人运动之间的映射关系；
[0012]S5.根据人体下肢规划的运动轨迹，使用运动控制方法控制康复机器人运动，从而带动使用者下肢沿规划的运动轨迹运动；
[0013]S6.依据人体下肢规划的运动轨迹，对实时测量到的下肢姿态使用误差补偿方法进行补偿，使使用者下肢实际位姿收敛至期望位姿，以消除映射误差带来的影响。
[0014]所述的人机系统运动学参数辨识方法，其特征在于通过控制下肢康复机器人运动牵引使用者下肢运动至数个特定位姿，并使用下肢姿态检测传感器实时检测人体下肢的姿态，得到多个时刻使用者大腿与水平方向所成角度θ,小腿与水平方向所成角度α，建立起使用者下肢末端G
R
和使用者关节角度的映射关系f1：G
R
＝f1(θ,α)。
[0015]同时根据已有的康复机器人末端G
H
和机器人关节角度θ
R
的映射关系f2：G
H
＝f2(θ
H
)。
[0016]根据机械臂滑块与人体下肢末端铰接即G
R
与G
H
相重合的关系，建立起康复机器人关节空间和训练空间的映射关系f3：θ
R
＝f3(θ,α)。
[0017]对采集得到的康复机器人和使用者的关节角度根据上述映射关系进行求解即可得到使用者大腿长度、小腿长度以及使用者与下肢康复机器人的相对位置。
[0018]通过采用上述技术方案，本专利技术具有如下有益效果：
[0019]本专利技术提供了一种下肢康复机器人的人机系统运动学参数辨识及控制方法，实现了下肢康复机器人使用过程中对使用者下肢参数的自动测量和对使用者下肢状态的控制，包括：利用固定在下肢的倾角传感器读取下肢姿态并控制机器人带动人体下肢达到预定的数个姿态，根据目标姿态下机器人的姿态数据进行人机系统运动学参数的辨识计算；建立关节空间和训练空间的映射关系；根据建立好的映射关系对人体下肢姿态进行控制并通过无模型方法对位置误差进行补偿。本专利技术实现了下肢康复机器人使用过程中对人体下肢姿态的控制，可以有效避免康复过程中造成的损伤并提高康复效果。
附图说明
[0020]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要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它的附图。
[0021]图1是本专利技术的流程图。
[0022]图2是人机系统运动学参数辨识示意图。
[0023]图3是运动控制方法。
[0024]图4是误差补偿方法。
具体实施方式
[0025]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0026]在本专利技术使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
[0027]本文将以专利技术专利：ZL201910810162.4中的多功能训练轮椅为例说明本专利技术的实施方法。
[0028]如图2所示，1、2分别为固定在使用者大腿和小腿上的传感器、3为多功能训练轮椅坐垫、4为腿部挡板、5为滑块和踏板的连接体。
[0029]使用者坐在下肢康复机器人坐垫OA上，使用者髋关节I固定，足跟G与康复机器人滑块相铰接。
[0030]利用固定在腿部挡板AD上的倾角传感器读取下肢康复机器人腿部挡板与竖直面所成的角度θ1。
[0031]利用固定在丝杠上的编码器测量滑块沿腿部挡板方向的位移DG，该长度记为l4。
[0032]根据θ1和l4即可确定机器人滑块即使用者足跟G的实时位置。
[0033]利用固定在人体大腿IH和小腿HG的倾角传感器1和2读取本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种下肢康复机器人的人机系统运动学参数辨识及控制方法，其特征在于所述人机系统运动学参数辨识方法辨识的参数包括人体下肢长度和人体与下肢康复机器人相对位置；所述控制方法分为运动控制方法和误差补偿方法两部分；所述运动控制方法将人体下肢规划的运动轨迹态映射为下肢康复机器人的运动轨迹，并利用速度和位置伺服控制康复机器人运动；所述误差补偿方法使用无模型方法对映射不准确产生的误差进行补偿；所述的下肢康复机器人的人机系统运动学参数辨识及控制方法包括如下步骤：S1.使用者佩戴下肢姿态检测传感器；S2.控制下肢康复机器人牵引使用者下肢运动，采集机器人及使用者下肢实时位姿数据；S3.根据S2中采集的数据，人机系统运动学参数辨识方法对人体下肢长度和人体与下肢康复机器人相对位置进行辨识；S4.依据S3中的辨识结果建立人体下肢运动和下肢康复机器人运动之间的映射关系；S5.根据人体下肢规划的运动轨迹，使用运动控制方法控制康复机器人运动，从而带动使用者下肢沿规划的运动轨迹运动；S6.依据人体下肢规划的运动轨迹，对实时测量到的下肢姿态使用误差补偿方法进行补偿，使使用者下肢实...

【专利技术属性】
技术研发人员：张延恒，丁冬，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：