一种末端牵引康复机器人的力交互方法、康复机器人及存储介质技术

本发明专利技术涉及一种末端牵引康复机器人的力交互方法、康复机器人及存储介质，通过得到末端牵引康复机器人的末端接触点的速度与关节角速度之间的关系式；然后根据动力学方程计算得到所末端牵引康复机器人的连杆的动态力矩；再根据采集的数据求解所述连杆i处的末端接触力；最后根据所述末端接触力以及根据接触材料的刚度，调整所述末端牵引康复机器人的力参数的调节，可实现不同工况下的力交互需求，从而使该末端牵引机器人从而可以作为一个柔性的操作工具，通过合理设计参数将人体与机器人之间的交互力矩转化为机器人的期望运动轨迹，同时，避免康复平台的固有运动误差的影响，从而能更好的对病人进行康复训练，提高了用户的体验感。验感。验感。

【技术实现步骤摘要】
一种末端牵引康复机器人的力交互方法、康复机器人及存储介质


[0001]本申请涉及康复机器人领域，具体为一种末端牵引康复机器人的力交互方法、康复机器人及存储介质。

技术介绍

[0002]目前我们国家身体有运动障碍的人越来越多，根据社科数据，大概在每一百个人当中就有两个人有肢体残疾。由于下肢的运动障碍直接影响到患者的日常活动，它也将对患者及其家人的工作和生活质量产生巨大影响，所以下肢康复领域逐渐成为医学和社会上关注的热点问题；如何能够及时有效地恢复身体腿部力量是下肢运动功能障碍的人进行康复训练的主要目的，传统的康复治疗过程需要专业医护人员才能够较好地完成，人员需求量大，且对康复医师的要求高，很难满足我国大量下肢运动功能障碍患者的康复训练需求和效果，和传统的康复训练方法对比来说，通过康复机构来完成这种重复性工作能够明显地减少人力成本、减少康复周期，并且可以追求个性化差异，为每个人制定不同的模式，及时的调整训练模式与参数从而达到最佳训练效果。
[0003]传统的国内外末端牵引康复机器人多为穿戴式的，且大多采用刚性串联机构，这种传统机构缺点比较明显，比如占地空间大、工作范围小、刚度大、结构复杂等，不能满足患者训练时对机器人的柔顺性要求，并且，目前的下肢牵引机器人都是人现场拖动无动力铰链，给现场操作人员造成了不可避免的电磁辐射，且在康复机器人运动过程中没有反馈机制，在康复训练时，容易收到平台的固有运动误差的影响。
[0004]因此，现有技术急需一种末端牵引康复机器人的力交互方法，用于避免康复平台的固有运动误差的影响，从而能更好的对病人进行康复训练。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题是针对上述技术方案的不足，提供一种末端牵引康复机器人的力交互方法，实现不同工况下的力交互需求，该末端牵引机器人从而可以作为一个柔性的操作工具，通过合理设计参数将人体与机器人之间的交互力矩转化为机器人的期望运动轨迹，同时，避免康复平台的固有运动误差的影响，从而能更好的对病人进行康复训练，提高了用户的体验。
[0006]为了实现上述目的，根据本专利技术的一个方面，提供一种末端牵引康复机器人的力交互方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1：得到所述末端牵引康复机器人的末端接触点的速度与关节角速度之间的关系式；
[0008]步骤2：根据动力学方程计算得到所末端牵引康复机器人的连杆的动态力矩；
[0009]步骤3：力矩传感器采集连杆i处的数据；
[0010]步骤4：根据所述步骤3采集的数据求解连杆i出的末端接触力；
[0011]步骤5：根据所述步骤4得到的末端接触力，以及根据接触材料的刚度，调整所述末端牵引机器人的力参数的调节。
[0012]具体地，所述步骤1中，所述末端牵引康复机器人的末端接触点的速度与关节角速度之间的关系式为：
[0013][0014][0015]式中，v
E
为所述末端牵引康复机器人末端接触点的速度矢量，ω6为所述末端牵引康复机器人的第六连杆的角速度矢量，分别为所述末端牵引康复机器人的六个关节的关节角角速度，J
E
为第六连杆的末端雅比克矩阵，J6为第六连杆的雅比克矩阵，E3为三阶单位矩阵，r
6E
为第六连杆末端接触点对于第六连杆的坐标系的位置矢量，S为向量的叉乘积矩阵；
[0016]值得强调的是，所述末端牵引机器人的末端接触点为所述末端接触机器人的第六连杆上与待康复人员肢体接触的点；
[0017]具体地，所述步骤1具体包括：
[0018]步骤1.1：得到刚体六运动参数与六个关节角角度的映射关系；
[0019]具体地，所述刚体六运动参数与六个关节角角度的映射关系具体为：
[0020][0021]式中，v6为所述末端牵引康复机器人第六连杆的速度矢量，ω6为所述末端牵引康复机器人的第六连杆的角速度矢量，分别为所述末端牵引康复机器人的六个关节的关节角角速度，J6为第六连杆的雅比克矩阵；
[0022]更近一步地，根据机器人矢量积方法求出刚体六运动参数与六个关节角角速度的映射关系；
[0023]步骤1.2：得到所述刚体六运动参数在坐标原点和所述末端接触点之间的关系；
[0024]具体地，所述刚体六运动参数在坐标原点和所述末端接触点之间的关系具体为：
[0025][0026]式中，v
E
为所述末端牵引康复机器人末端接触点的速度矢量，ω6为所述末端牵引康复机器人的第六连杆的角速度矢量，分别为所述末端牵引
康复机器人的六个关节的关节角角速度，J
E
为第六连杆的末端雅比克矩阵；
[0027]步骤1.3，根据所述步骤1.1和步骤1.2得到所述末端牵引康复机器人的末端接触点的速度与关节角速度之间的关系式；
[0028]具体地，所述根据动力学方程计算得到连杆的动态力矩具体包括：
[0029]设所述末端牵引康复机器人的连杆i的角速度、角加速度、原点加速度、质心加速度分别为：
[0030][0031][0032][0033][0034]式中，
i
ω
i
为连杆i的角速度，为连杆i的姿态矩阵，
i
‑1ω
i
‑1为连杆i
‑
1的角速度，为第i关节角的角速度，e3为单位向量，其表达形式为e3＝(001)
T
，为连杆i的角加速度，为连杆i
‑
1的角加速度，为关节i的角加速度；
i
a
i
为连杆i的原点加速度，
i
‑1a
i
‑1为连杆i
‑
1的原点加速度，
i
‑1p
i
为连杆i的坐标，
i
a
Ci
为连杆i的质心坐标加速度，
i
p
Ci
为连杆i的质心坐标；
[0035]然后，得到连杆i的惯性力、惯性力矩；
[0036]具体地，所述连杆i的惯性力、惯性力矩具体为：
[0037]i
f
Ci
＝m
ii
a
Ci
[0038][0039]式中，
i
f
Ci
为连杆i的惯性力，m
i
为连杆i的质量，
i
n
Ci
为连杆i的惯性力矩，
Ci
I
i
为连杆i的质心坐标系惯量矩阵；
[0040]进一步地，得到连杆i的力平衡、力矩平衡方程为：
[0041][0042][0043]式中，
i
f
i
为达到力平衡时连杆i的接触力，为连杆i+1的姿态矩阵，
i+1
f
i+1
达到力平衡时连杆i+1的接触力，
i
f
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种末端牵引康复机器人的力交互方法，其特征在于：包括：步骤1：得到所述末端牵引康复机器人的末端接触点的速度与关节角速度之间的关系式；步骤2：根据动力学方程计算得到所末端牵引康复机器人的连杆的动态力矩；步骤3：力矩传感器采集连杆i处的数据；步骤4：根据所述步骤3采集的数据求解所述连杆i处的末端接触力；步骤5：根据所述步骤4得到的末端接触力，以及根据接触材料的刚度，调整所述末端牵引康复机器人的力参数的调节。2.根据权利要求1所述的末端牵引康复机器人的力交互方法，其特征在于，所述步骤1中，所述末端牵引康复机器人的末端接触点的速度与关节角速度之间的关系式为：中，所述末端牵引康复机器人的末端接触点的速度与关节角速度之间的关系式为：式中，v
E
为所述末端牵引康复机器人末端接触点的速度矢量，ω6为所述末端牵引康复机器人的第六连杆的角速度矢量，分别为所述末端牵引康复机器人的六个关节的关节角角速度，J
E
为第六连杆的末端雅比克矩阵，J6为第六连杆的雅比克矩阵，E3为三阶单位矩阵，r
6E
为第六连杆末端接触点对于第六连杆的坐标系的位置矢量，S为向量的叉乘积矩阵。3.根据权利要求2所述的末端牵引康复机器人的力交互方法，其特征在于，所述末端牵引机器人的末端接触点为所述末端接触机器人的第六连杆上与待康复人员肢体接触的点。4.根据权利要求1所述的末端牵引康复机器人的力交互方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：步骤1.1：得到刚体六运动参数与六个关节角角度的映射关系；步骤1.2：得到所述刚体六运动参数在坐标原点和所述末端接触点之间的关系；步骤1.3，根据所述步骤1.1和步骤1.2得到所述末端牵引康复机器人的末端接触点的速度与关节角速度之间的关系式。5.根据权利要求4所述的末端牵引康复机器人的力交互方法，其特征在于，所述步骤1.1中，所述刚体六运动参数与六个关节角角度的映射关系具体为：式中，v6为所述末端牵引康复机器人第六连杆的速度矢量，ω6为所述末端牵引康复机
器人的第六连杆的角速度矢量，分别为所述末端牵引康复机器人的六个关节的关节角角速度，J6为第六连杆的雅比克矩阵。6.根据权利要求5所述的末端牵引康复机器人的力交互方法，其特征在于，根据机器人矢量积方法求出刚体六运动参数与六个关节角角速度的映射关系。7.根据权利要求5所述的末端牵引康复机器人的力交互方法，其特征在于，所述步骤1.2中，所述刚体六运动参数在坐标原点和所述末端接触点之间的关系具体为：式中，v
E
为所述末端牵引康复机器人末端接触点的速度矢量，ω6为所述末端牵引康复机器人的第六连杆的角速度矢量，分别为所述末端牵引康复机器人的六个关节的关节角角速度，J
E
为第六连杆的末端雅比克矩阵。8.根据权利要求5所述的末端牵引康复机器人的力交互方法，其特征在于，所述根据动力学方程计算得到连杆的动态力矩具体包括：设所述末端牵引康复机器人的连杆i的角速度、角加速度、原点加速度、质心加速度分别为：别为：别为：别为：式中，
i
ω
i
为连杆i的角速度，为连杆i的姿态矩阵，
i
‑1ω
i
‑1为连杆i
‑
1的角速度，为第i关节角的角速度，e3为单位向量，其表达形式为e3＝(001)
T
，为连杆i的角加速度，为连杆i
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王天，郭小宝，孙青林，王雷，
申请(专利权)人：杭州程天科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：