九自由度上肢康复机器人制造技术

本发明专利技术提供一种九自由度上肢康复机器人，增加胸锁关节的2个主动自由度以模拟肩带的运动，使康复机器人更好的匹配人体上肢的运动，冗余控制算法基于雅可比矩阵的零空间投影对任务进行分级，低优先级任务不影响高优先级任务的执行，能够充分利用上肢外骨骼的冗余自由度，保证机械臂各关节之间协调运动，提高了治疗效果。疗效果。疗效果。

【技术实现步骤摘要】
九自由度上肢康复机器人


[0001]本专利技术涉及康复机器人
，具体而言，涉及一种九自由度上肢康复机器人。

技术介绍

[0002]现有的上肢康复机器人通常是将上肢简化为六或七个主动自由度，将肩关节(盂肱关节)简化为3自由度的球铰关节，认为肩关节的运动完全由盂肱关节完成。然而，实际上肩关节的运动是由盂肱关节和肩带共同组成的，例如在肩关节外展180度时，盂肱关节的运动角度为120度，肩带上旋60度，两者共同运动完成180度外展且运动的幅度近似2:1(肩肱节律)，这就造成了机器人与使用者的上肢运动不匹配。
[0003]现有上肢康复机器人与使用者的上肢运动不匹配，容易造成代偿运动等影响治疗效果，甚至造成二次损伤。

技术实现思路

[0004]本专利技术解决的问题是现有上肢康复机器人与使用者的上肢运动不匹配的问题。
[0005]为解决上述问题，本专利技术提供一种九自由度上肢康复机器人，所述九自由度上肢康复机器人包括康复训练模块、基于优先级的冗余控制算法模块、上肢外骨骼以及外骨骼控制器；所述上肢外骨骼包括胸锁关节前伸/后缩、胸锁关节抬高/压低、盂肱关节外展/内收、盂肱关节前屈/后伸、盂肱关节旋内/旋外、肘关节屈曲/伸展、前臂旋前/旋后、腕关节背屈/掌屈以及腕关节尺曲/桡曲九个主动关节自由度；所述康复训练模块用于生成康复训练场景，所述康复训练场景包括多个运动目标；所述冗余控制算法模块用于基于雅可比矩阵的零空间投影对所述运动目标分解得到的任务进行分级以及确定分级后任务的控制参数；所述控制参数包括所述上肢外骨骼的各关节的角速度；所述外骨骼控制器用于根据所述控制参数实时调节所述上肢外骨骼各关节的角速度。
[0006]可选地，所述冗余控制算法模块用于将所述运动目标分解为多个子任务，根据重要程度赋予各子任务不同的优先级，并计算上肢外骨骼完成各子任务所需的关节角速度；其中，将关节限位约束设定为优先级最高的任务；将肩肱节律约束设定为第二优先级的任务；将与场景相关的末端位置任务及末端姿态任务设定为第三优先级的任务、第四优先级的任务；将可操作性约束设定为优先级最低的任务。
[0007]可选地，所述关节限位约束如下：
[0008]定义与关节极限位置的距离函数：
[0009][0010]其中，q＝[q1,q2,q3,q4,q5,q6,q7,q8,q9]T
表示康复机器人各关节的角度，q1表示胸锁关节前伸/后缩角度，q2表示胸锁关节抬高/压低角度，q3表示盂肱关节外展/内收角度，q4表示盂肱关节前屈/后伸角度，q5表示盂肱关节旋内/旋外角度，q6表示肘关节屈曲/伸展
角度，q7表示前臂旋前/旋后角度，q8表示腕关节背屈/掌屈角度，q9表示腕关节尺曲/桡曲角度；q
i
表示机器人第i个关节的角度，q
iM
表示机器人第i个关节允许的最大角度，q
im
表示机器人第i个关节允许的最小角度，表示机器人第i个关节范围的中值；
[0011]计算康复机器人完成任务1时各关节的角速度：
[0012][0013]J1＝I∈R9×9表示任务1的雅可比矩阵；J
1#
表示J1的穆尔
‑
彭罗斯Moore
‑
Penrose伪逆；表示任务1的反馈控制项；KP1是人为设定的比例控制系数；表示距离函数d(q)对关节角度的偏导数。
[0014]可选地，所述肩肱节律约束满足如下等式约束：
[0015][0016]f2(q)＝q2+0.49q4sin(q3)
‑
20＝0
[0017]微分可得
[0018][0019][0020]其中表示康复机器人各关节的角速度；
[0021]计算机器人完成任务2时各关节的角速度：
[0022][0023]其中表示任务2的雅可比，P1＝(I
‑
J
1#
J1)表示任务1的零空间矩阵，I∈R9×9表示单位矩阵，J2P1表示将任务2的雅可比矩阵投影到任务1的零空间得到的矩阵，(J2P1)
#
表示J2P1的Moore
‑
Penrose伪逆；表示任务2的反馈控制项，KP
f1
,KP
f2
是人为设定的两个比例控制系数。
[0024]可选地，所述末端位置任务要求待训练手臂手掌中心到达位置p
d
＝[x
d
,y
d
,z
d
]T
；
[0025]由微分运动学可知末端线速度与关节角速度的映射关系其中表示康复机器人各关节的角速度，表示待训练手臂手掌中心在惯性坐标系下线速度，J
v
∈R3×9表示康复机器人的线速度雅可比矩阵；
[0026]计算机器人在完成任务1、2的前提下完成任务3时各关节的角速度：
[0027][0028]其中J3＝J
v
表示任务3的雅可比矩阵，P2＝P1(I
‑
(J2P1)
#
J2P1)表示任务2的零空间矩阵，J3P2表示将任务3的雅可比矩阵投影到任务2的零空间得到的矩阵，(J3P2)
#
表示J3P2的Moore
‑
Penrose伪逆；Penrose伪逆；表示任务3的反馈控制项；KP3是人为设定的比例控制系数；KD3是人为设定的微分控制系数；p＝[x,y,]T
表示待训练手臂手掌中心的实际位置；表示待训练手臂手掌中心的目标线速度，可通过对p
d
微分得到；表示待训练手臂手掌中心的实际线速度，可通过对p微分得到。
[0029]可选地，所述末端姿态任务要求待训练手臂手掌中心到达姿态θ
d
＝[α
d
,β
d
,γ
d
]T
；
[0030]由微分运动学可知末端角速度与关节角速度的映射关系其中表示康复机器人各关节的角速度，表示待训练手臂手掌中心在惯性坐标系下角速度，J
w
∈R3×9表示康复机器人的角速度雅可比矩阵；
[0031]计算机器人在完成任务1、2、3的前提下完成任务4时各关节的角速度：
[0032][0033]其中J4＝J
w
表示任务4的雅可比，P3＝P2(I
‑
(J3P2)
#
J3P2)表示任务3的零空间矩阵，J4P3表示将任务4的雅可比矩阵投影到任务3的零空间得到的矩阵，(J4P3)
#
表示J4P3的Moore
‑
Penrose伪逆；Penrose伪逆；表示任务4的反馈控制项；KP
４
是人为设定的比例控制系数；KD
４
是人为设定的微分控制系数；θ＝[α,β,γ]在
表示待训练手臂手掌中心的实际姿态；表示待训练手臂手掌中心的目标角速度，可通过对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种九自由度上肢康复机器人，其特征在于，所述九自由度上肢康复机器人包括康复训练模块、基于优先级的冗余控制算法模块、上肢外骨骼以及外骨骼控制器；所述上肢外骨骼包括胸锁关节前伸/后缩、胸锁关节抬高/压低、盂肱关节外展/内收、盂肱关节前屈/后伸、盂肱关节旋内/旋外、肘关节屈曲/伸展、前臂旋前/旋后、腕关节背屈/掌屈以及腕关节尺曲/桡曲九个主动关节自由度；所述康复训练模块用于生成康复训练场景，所述康复训练场景包括多个运动目标；所述冗余控制算法模块用于基于雅可比矩阵的零空间投影对所述运动目标分解得到的任务进行分级以及确定分级后任务的控制参数；所述控制参数包括所述上肢外骨骼的各关节的角速度；所述外骨骼控制器用于根据所述控制参数实时调节所述上肢外骨骼各关节的角速度。2.根据权利要求1所述的九自由度上肢康复机器人，其特征在于，所述冗余控制算法模块用于将所述运动目标分解为多个子任务，根据重要程度赋予各子任务不同的优先级，并计算上肢外骨骼完成各子任务所需的关节角速度；其中，将关节限位约束设定为优先级最高的任务；将肩肱节律约束设定为第二优先级的任务；将与场景相关的末端位置任务及末端姿态任务设定为第三优先级的任务、第四优先级的任务；将可操作性约束设定为优先级最低的任务。3.根据权利要求2所述的九自由度上肢康复机器人，其特征在于，所述关节限位约束如下：定义与关节极限位置的距离函数：其中，q＝[q1,q2,q3,q4,q5,q6,q7,q8,q9]
T
表示康复机器人各关节的角度，q1表示胸锁关节前伸/后缩角度，q2表示胸锁关节抬高/压低角度，q3表示盂肱关节外展/内收角度，q4表示盂肱关节前屈/后伸角度，q5表示盂肱关节旋内/旋外角度，q6表示肘关节屈曲/伸展角度，q7表示前臂旋前/旋后角度，q8表示腕关节背屈/掌屈角度，q9表示腕关节尺曲/桡曲角度；q
i
表示机器人第i个关节的角度，q
iM
表示机器人第i个关节允许的最大角度，q
im
表示机器人第i个关节允许的最小角度，表示机器人第i个关节范围的中值；计算康复机器人完成任务1时各关节的角速度：J1＝I∈R9×9表示任务1的雅可比矩阵；J
1#
表示J1的穆尔
‑
彭罗斯Moore
‑
Penrose伪逆；表示任务1的反馈控制项；KP1是人为设定的比例控制系数；表示距离函数d(q)对关节角度的偏导数。4.根据权利要求3所述的九自由度上肢康复机器人，其特征在于，所述肩肱节律约束满足如下等式约束：
f2(q)＝q2+0.49q4sin(q3)
‑
20＝0微分可得微分可得其中表示康复机器人各关节的角速度；计算机器人完成任务2时各关节的角速度：其中表示任务2的雅可比，P1＝(I
‑
J
1#
J1)表示任务1的零空间矩阵，I∈R9×9表示单位矩阵，J2P1表示将任务2的雅可比矩阵投影到任务1的零空间得到的矩阵，(J2P1)
#
表示J2P1的Moore
‑
Penrose伪逆；表示任务2的反馈控制项，KP
f1
,KP
f2
是人为设定的两个比例控制系数。5.根据权利要求4所述的九自由度上肢康复机器人，其特征在于，所述末端位置任务要求待训练手臂手掌中心到达位置p
d
＝[x
d
,y
d
,z
d
]
T
；由微分运动学可知末端线速度与关节角速度的映射关系其中表示康复机器人各关节的角速度，表示待训练手臂手掌中心在惯性坐标系下线速度，J
v
∈R3×9表示康复机器人的线速度雅可比矩阵；计算机器人在完成任务1、2的前提下完成任务3时各关节的角速度：其中J3＝J
v
表示任务3的雅可比矩阵，P2＝P1(I
‑
(J2P1)
#
J2P1)表示任务2的零空间矩阵，J3P2表示将任务3的雅可比矩阵投影到任务2的零空间得到的矩阵，(J3P2)
#
表示J3P2的Moore
...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴剑煌，孙维，黄冠，
申请(专利权)人：深圳华鹊景医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：