一种球形髋关节机构设计及控制方法技术

本发明专利技术公开了一种球形髋关节机构设计及控制方法。为解决单自由度髋关节机构康复动作单一问题，以实现人体髋关节功能为目标，设计一种空间二自由度球形髋关节机构。通过基于位置的阻抗控制方法实现人体髋关节的屈伸、内收、外展和向侧前方抬腿运动。在球形髋关节机构设计过程中考虑以下几点：a.根据人体髋关节功能特性，等效映射出能够实现髋关节功能的球形髋关节模型；b.搭建球形髋关节平台，验证平台能够模拟人体髋关节的屈伸、内收、外展和向侧前方抬腿运动；c.基于欧拉

【技术实现步骤摘要】
一种球形髋关节机构设计及控制方法


[0001]本专利技术涉及人体髋关节运动机理，涉及一种球形髋关节机构设计及控制方法。

技术介绍

[0002]髋关节具有复杂结构，伴随髋骨与股骨相对运动，肌肉与韧带收缩或拉伸，具有独特的运动方式，能够完成各类动作。单自由度髋关节机构只能实现患者髋关节在平面上做屈伸运动，存在康复训练模式欠缺等问题，难以对患者进行多模态的康复训练。柔性康复机器人虽然具有较高的柔顺性，但柔性单元在运动过程中易出现弯曲、形变，而且动力学建模比较复杂，不易控制。对于髋关节机构，稳定性和关节活动空间是衡量功能实现的重要指标，基于球形机械臂结构设计的球形髋关节可实现髋关节屈伸、外展、内收以及向侧前方抬腿运动，能够完成较多康复训练模式并具有较大的工作空间。
[0003]在球形髋关节机构设计方面，一种基于球形机械臂结构的映射模型可以实现类似人体髋关节的屈伸、外展、内收和向侧前方抬腿运动。球形髋关节机构由两个电机组成，其中，电机1可带动大腿做屈伸运动，电机2可带动大腿做外展和内收运动，当电机1与电机2协同运动，可实现髋关节向侧前方抬腿运动。这种球形髋关节机构采用被动控制算法框架，通过在空间内设定多个期望位置并进行轨迹跟踪分析机构设计的合理性。
[0004]基于功能仿生原理，平行四边形连杆结构OABC模拟骨骼起支撑作用，电机旋转连杆带动大腿运动，融合了球形关节结构的髋关节结构简单，具有较大工作空间。首先通过研究髋关节运动机理，从人体解剖学角度分析髋关节生理结构，设计基于人体髋关节的球形髋关节等效映射模型。采用双电机协同控制，使球形髋关节运动更加灵活。其次搭建球型髋关节实验平台，模拟髋关节屈伸、内收、外展和向侧前方抬腿运动，验证平台设计合理性。基于欧拉
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拉格朗日方法对球形髋关节机构进行动力学建模，为设计轨迹跟踪算法奠定基础。最后，根据球形髋关节机构的动力学模型，结合基于位置的阻抗控制方法对机构进行轨迹跟踪，验证算法设计有效性。

技术实现思路

[0005]本专利技术涉及一种球形髋关节机构设计及控制方法，以实现人体髋关节功能为目的，本专利技术的技术方案如下：S1：分析人体髋关节运动方式，简化髋关节形态结构，建立人体髋关节与球形髋关节机构的等效映射模型。S2：搭建平台，模拟髋关节运动，验证结构设计的合理性。S3：遵循系统能量守恒原理，基于欧拉
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拉格朗日方法对机构进行动力学建模。S4：使用基于位置的阻抗控制方法对球形髋关节机构进行位置控制，验证控制算法的有效性。
[0006]步骤S1具体过程：S101：人体髋关节由髋臼、股骨头等组成，股骨头是髋关节球臼结构中的凸起部
分，相当于圆球的三分之二，方向朝上，朝内和朝前；与髋臼相比，股骨头的关节面较大，以便增加髋关节的活动范围。髋臼由髂骨、坐骨和耻骨三部分组成，中央为髋臼窝，内衬半月形软骨，其下缘由髋臼横韧带连接，使它与股骨头紧密贴合。周围有关节唇，使髋臼变深，以防脱位。髋关节骨与骨之间结构复杂，其间的韧带和肌肉运动方式独特。S102：髋关节是由骨骼、韧带和肌肉等人体组织构成的球型结构，能够实现屈伸、内收、外展和向侧前方抬腿运动。用连杆模拟髋骨和股骨，整个髋关节机构可以等效为由连杆组成的球型结构。基于人体髋关节结构特征建立球形髋关节等效映射模型，用连杆模拟股骨连接球形髋关节。
[0007]步骤S2具体过程：S201：球形髋关节作为一种球型机构，可带动大腿实现屈伸、内收、外展和向侧前方抬腿运动。本专利技术首先从运动功能模拟人体髋关节运动，将球形关节简化为两个电机控制的相互垂直的平面结构，其中，电机1带动大腿在y
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o
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z平面旋转，电机2带动大腿在x
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o
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z平面旋转。其次考虑人体髋关节运动为屈伸、内收、外展、向侧前方抬腿运动，使用球形髋关节机构带动大腿完成以上运动。S202：设定期望位置，规划模型运动轨迹，通过控制器控制球形髋关节机构实现屈伸、内收、外展以及向侧前方抬腿运动。
[0008]步骤S3具体过程为：S301：对于球形髋关节机构，忽略电机1与电机2之间距离，考虑球形髋关节机构的动能和重力势能。S302：假设每个杆的质量都集中于质心，m代表杆的质量，v代表质心的线速度，w代表质心的角速度，杆的动能表述方式如下：其中，J
vi
(q)3×2为杆的线速度雅各比矩阵，J
wi
(q)3×2为杆的角速度雅各比矩阵，R
i
(q)3×3为杆的旋转变换矩阵，为连杆的惯性张量。杆的势能表述方式如下：其中，g3×1为惯性坐标系里的重力向量，向量为连杆i的质心在惯性坐标系里的坐标。动力学方程表述方式如下：其中L＝K
‑
P为拉格朗日函数，τ为驱动力矩。
[0009]步骤S4具体过程为：本专利技术利用基于位置的阻抗控制方法对机构进行位置控制与轨迹跟踪。使用PD位置控制器，控制率为：
其中，K
P
、K
D
分别为比例增益和微分增益，e为轨迹跟踪误差。实际平台中不可避免存在干扰，使关节位置偏离期望位置。阻抗控制通过将球形髋关节连杆与大腿之间的接触力通过阻抗模型转化为位置修正量，将位置修正量和期望位置结合得到实际需要控制的位置信号，通过逆动力学将三维空间内的位置转化为具体每个关节电机的角度，再通过PD位置控制器对电机实施位置控制。基于位置的阻抗控制方法可以消除系统受到扰动产生的偏差，弥补了关节位置滞后的影响，控制率的表达式为：经平台实验发现，基于位置的阻抗控制方法不仅可以克服干扰，还能产生较好的控制效果。附图声明图1是球形髋关节机构的原理图；图2是基于位置的阻抗控制方法的流程图；图3是机构屈伸时关节角度的期望轨迹和实际轨迹；图4是机构屈伸时关节角度的轨迹跟踪误差；图5是机构外展和内收时关节角度的期望轨迹和实际轨迹；图6是机构外展和内收时关节角度的轨迹跟踪误差；
具体实施方式
[0010]下面对说明书附图和实施过程进行详细说明：
[0011]S1:本专利技术公开了一种球形髋关节机构，所述结构如下：S101：参见附图1，机构包括平行四边形结构OABC、固定电机框、旋转电机框、电机1和电机2，因电机2较大，杆OC无法与人体大腿紧密贴合，故设计平行四边形结构OABC，该平行四边形结构可实现杆AB与大腿紧密贴合，且杆AB与杆OC具有相同的运动角度。电机1带动圆盘1作旋转运动，使附着在圆盘1上的电机2与平行四边形结构OABC跟随电机1旋转，实现球形髋关节屈伸运动。电机2带动圆盘2作旋转运动，使与圆盘2相连的杆OC和与杆OC平行的杆AB跟随电机2旋转，实现球形髋关节外展与内收运动。电机1与电机2同时旋转，实现髋关节向侧前方抬腿运动。S102：以O点为坐标原点建立空间直角坐标系，z轴垂直于电机旋转平面，且跟随附体坐标系的变化而变化。本专利技术中电机1带动大腿实现屈伸运动，电机2带动大腿实现外展和内收运动，电机1与电机2协同运动，该机构带动大腿实现向侧前方抬腿运动。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种球形髋关节机构设计及控制方法，其特征在于，包括以下特点：1)球形髋关节机构包括球形髋关节和平行四边形连杆结构，球形髋关节由一个固定电机框和一个旋转电机框组成，其中，旋转电机框跟随固定电机框内电机1运动，固定电机框模拟髋凹，可安装电机并承载大腿重量，固定电机框内电机1可带动大腿实现屈伸运动。旋转电机框模拟股骨头，旋转电机框内电机2可带动大腿实现外展与内收运动；因电机较大，杆CO无法与大腿紧密贴合，因此设计杆OABC平行四边形结构，杆OA与杆BC等长且平行，杆AB与CO等长且平行，四根杆组成平行四边形，杆AB紧贴大腿，与电机2带动的杆CO具有相同的旋转角度；当旋转电机框内电机2静止，固定电机框内电机1做旋转运动，球形髋关节带动大腿实现屈伸运动；当旋转电机框内电机2做旋转运动，固定电机框内电机1静止，球形髋关节带动大腿实现外展与内收运动；当旋转电机框内电机2做旋转运动，固定电机框内电机1做旋转运动，球形髋关节带动大腿实现向侧前方抬腿运动；基于人体解剖学，分析人体髋关节运动特征，实现人体髋关节功能。2)基于欧拉
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拉格朗日方法，选择O点坐标为广义坐标，对空间二自由度球形髋关节机构进行动力学建模，基于广义坐标的动力学方程可以表示为：其中，L表示拉格朗日函数，q表示电机转动角度，τ表示作用在系统上的广义力...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙中波，沈瑶，王刚，赵立铭，顾健，许长贤，刘克平，
申请(专利权)人：长春工业大学，
类型：发明
国别省市：