一种移动康复机器人的实时人机交互力控制方法技术

本发明专利技术涉及康复机器人技术领域，具体地说，涉及一种移动康复机器人的实时人机交互力控制方法，建立笛卡尔坐标系；基于所述移动机器人的位置获取所述移动机器人的速度和所述移动机器人速度的运动学关系；基于轮子的驱动力获取所述移动机器人在笛卡尔方向上的合力；获取所述轮子在笛卡尔方向上的摩擦力；基于所述移动机器人的速度和所述移动机器人速度的运动学关系、所述移动机器人在笛卡尔方向上的合力以及所述轮子在笛卡尔方向上的摩擦力建立动力学模型；获取所述移动机器人的目标轨迹；基于所述动力学模型和所述目标轨迹获取所述移动机器人的力控制率；本申请能够在移动机器人带动患侧手进行移动的过程中，和外部环境进行实时的信息交互，满足患者对于运动康复时肌张力大小的评估，并知晓患者手臂的运动状态，从而能够根据患者的运动意图控制移动机器人运动，能够有效保证对痉挛状态下安全性的要求。求。求。

【技术实现步骤摘要】
一种移动康复机器人的实时人机交互力控制方法


[0001]本专利技术涉及康复机器人
，具体地说，涉及一种移动康复机器人的实时人机交互力控制方法。

技术介绍

[0002]传统的移动机器人均采用被动运动的方式，无法和环境进行实时的力感知与交互，无法满足患者对于运动康复时肌张力大小的评估，无法知晓患者手臂的运动状态，无法根据患者的运动意图控制机器人运动，无法保障对痉挛状态安全性要求，故无法直接应用于康复领域。
[0003]基于以上，本申请提出一种移动康复机器人的实时人机交互力控制方法，实现了实时的人机力交互功能，从而达到康复训练的目的。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种移动康复机器人的实时人机交互力控制方法。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术通过下述技术方案得以解决：
[0006]一种移动康复机器人的实时人机交互力控制方法，包括，基于移动机器人的几何中心为坐标原点，以所述移动机器人的朝向方向为X轴，以垂直于所述移动机器人的朝向方向为Y轴，建立笛卡尔坐标系；
[0007]基于所述移动机器人的位置获取所述移动机器人的速度和所述移动机器人速度的运动学关系；
[0008]基于轮子的驱动力获取所述移动机器人在笛卡尔方向上的合力；
[0009]获取所述轮子在笛卡尔方向上的摩擦力；
[0010]基于所述移动机器人的速度和所述移动机器人速度的运动学关系、所述移动机器人在笛卡尔方向上的合力以及所述轮子在笛卡尔方向上的摩擦力建立动力学模型；
[0011]获取所述移动机器人的目标轨迹；
[0012]基于所述动力学模型、李雅普诺夫稳定性原理和所述目标轨迹设计所述移动机器人的力控制率以实现驱动所述移动机器人根据患者期望的施力意图进行移动。
[0013]作为优选，执行基于所述移动机器人的位置获取所述移动机器人的速度和所述移动机器人速度的运动学关系时，具体包括，
[0014]获取所述移动机器人的位置x
b
＝[X
b
，Y
b
，θ]；
[0015]基于所述移动机器人的位置信息获取所述移动机器人的速度为基于所述移动机器人的位置信息获取所述移动机器人的速度为
[0016]执行基于所述移动机器人的位置获取所述移动机器人的速度和所述移动机器人速度的运动学关系时，具体包括，
[0017]获取所述轮子的速度分别为ω
i
，所述轮子的半径为r；
[0018]获取所述移动机器人的宽度为2L1、长度为2L2；
[0019]处理得到所述移动机器人的速度有如下所述运动学关系：
[0020][0021]其中，i为所述轮子编号，从1到4，所述轮子的角度依次为
‑
45
°
、45
°
、45
°
、
‑
45
°
。
[0022]作为优选，执行基于轮子的驱动力获取所述移动机器人在笛卡尔方向上的合力时，具体包括，
[0023]获取所述轮子的控制电流为i
i
；
[0024]获取用于驱动所述轮子的电机的电机常数k
t
；
[0025]获取所述电机的减速比k；
[0026]处理得到所述轮子的驱动力f
i
＝k
×
k
t
×
i
i
；所述移动机器人在笛卡尔方向上的合力分别为F
x
，F
y
，T；
[0027]其中，其中，
[0028]作为优选，获取所述移动机器人的质量m，转动惯量J；
[0029]获取所述轮子在笛卡尔方向上的库伦摩擦分别为F
Cxi
，F
Cyi
，T
Ci
；
[0030]获取所述轮子在笛卡尔方向上的粘滞摩擦分别为F
Bxi
，F
Byi
，T
Bi
；
[0031]其中，所述动力学模型如下：
[0032]作为优选，执行获取所述移动机器人的目标轨迹时，具体包括，
[0033]获取由训练处方生成的轨迹x
1traj
；
[0034]获取所述移动机器人的位置偏移量Δx；
[0035]其中，所述移动机器人的所述目标轨迹x
1d
＝x
1traj
+Δx。
[0036]作为优选，执行获取所述移动机器人的目标轨迹时，具体包括，
[0037]于所述移动机器人处提供一具有力传感器的握柄；
[0038]定义所述移动机器人的惯性、阻尼和刚度分别为M1，B1和K1；
[0039]获取所述力传感器的读数F、所述移动机器人的实际位置x1；
[0040]所述移动机器人的位置偏移量Δx具有如下关系式：
[0041][0042]其中，Δx由进行两次积分得到。
[0043]作为优选，执行基于所述动力学模型、李雅普诺夫稳定性原理和所述目标轨迹设
计所述移动机器人的力控制率以实现驱动所述移动机器人根据患者期望的施力意图进行移动时，具体包括，
[0044]基于所述动力学模型和所述目标轨迹通过所述李雅普诺夫稳定性原理设计得到所述力控制率所述力控制率
[0045]其中，x1为所述移动机器人的实际速度，e1＝x1‑
x
1d
，e2＝x2‑
x
2d
，M＝diag(m,m,J)，C
i
为轮子的库伦摩擦系数，B
i
为轮子的粘滞摩擦系数。
[0046]本专利技术至少具备以下有益效果：
[0047]本申请能够在移动机器人带动患侧手进行移动的过程中，和外部环境进行实时的信息交互，满足患者对于运动康复时肌张力大小的评估，并知晓患者手臂的运动状态，从而能够根据患者的运动意图控制移动机器人运动，能够有效保证对痉挛状态下安全性的要求。
附图说明
[0048]图1为本申请的实时人机交互力控制方法的流程图；
[0049]图2为本申请中移动机器人于笛卡尔坐标系下的示意图。
[0050]附图中各数字标号所指代的部位名称如下：
[0051]110、第一从动轮；120、第二从动轮；130、第一主动轮；140、第二主动轮。
具体实施方式
[0052]为进一步了解本专利技术的内容，结合附图和实施例对本专利技术作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本专利技术进行解释而并非限定。
[0053]如图1
‑
2所示，本实施例提供了一种移动康复机器人的实时人机交互力控制方法，其包括基于移动机器人的几何中心为坐标原点，以所述移动机器人的朝向方向为X轴，以垂直于所述移动机器人的朝向方向为Y轴，建立笛本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种移动康复机器人的实时人机交互力控制方法，其特征在于：基于移动机器人的几何中心为坐标原点，以所述移动机器人的朝向方向为X轴，以垂直于所述移动机器人的朝向方向为Y轴，建立笛卡尔坐标系；基于所述移动机器人的位置获取所述移动机器人的速度和所述移动机器人速度的运动学关系；基于轮子的驱动力获取所述移动机器人在笛卡尔方向上的合力；获取所述轮子在笛卡尔方向上的摩擦力；基于所述移动机器人的速度和所述移动机器人速度的运动学关系、所述移动机器人在笛卡尔方向上的合力以及所述轮子在笛卡尔方向上的摩擦力建立动力学模型；获取所述移动机器人的目标轨迹；基于所述动力学模型、李雅普诺夫稳定性原理和所述目标轨迹设计所述移动机器人的力控制率以实现驱动所述移动机器人根据患者期望的施力意图进行移动。2.根据权利要求1所述的一种移动康复机器人的实时人机交互力控制方法，其特征在于：执行基于所述移动机器人的位置获取所述移动机器人的速度和所述移动机器人速度的运动学关系时，具体包括，获取所述移动机器人的位置x
b
＝[X
b
，Y
b
，θ]；基于所述移动机器人的位置信息获取所述移动机器人的速度为述移动机器人的速度为获取所述轮子的速度分别为ω
i
，所述轮子的半径为r；获取所述移动机器人的宽度为2L1、长度为2L2；处理得到所述移动机器人的速度有如下所述运动学关系：其中，i为所述轮子编号，从1到4，所述轮子的角度依次为
‑
45
°
、45
°
、45
°
、
‑
45
°
。3.根据权利要求2所述的一种移动康复机器人的实时人机交互力控制方法，其特征在于：执行基于轮子的驱动力获取所述移动机器人在笛卡尔方向上的合力时，具体包括，获取所述轮子的控制电流为i
i
；获取用于驱动所述轮子的电机的电机常数k
t
；获取所述电机的减速比k；处理得到所述轮子的驱动力f
i
＝k
×
k
t
×
i
...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐培麒，张一楠，王恒，
申请(专利权)人：苏州智康机器人有限公司，
类型：发明
国别省市：