一种外骨骼挂杆操作终端负载动态估算方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种外骨骼挂杆操作终端负载动态估算方法和系统，建立了外骨骼上肢力学模型来求解双臂操作终端位置处挂杆对外骨骼夹具的作用力，有益于估计外骨骼操作终端的力学状态；根据外骨骼上肢运动学模型，解算了双臂操作终端的位置和距离，有益于确定双臂的相对位置关系；根据双臂操作终端的距离和双臂操作终端位置处挂杆对外骨骼夹具的作用力及挂杆的力学模型，解算了挂杆的质量和重心位置，有利于外骨骼的控制方案的选取与确定，实现了对外骨骼挂杆操作终端的负载进行重量和质心的准确估算，以便于感知及辨别外骨骼机器人的使用状态，提高控制精度的技术效果。提高控制精度的技术效果。提高控制精度的技术效果。

【技术实现步骤摘要】
一种外骨骼挂杆操作终端负载动态估算方法和系统


[0001]本专利技术涉及外骨骼机器人
，尤其涉及一种外骨骼挂杆操作终端负载动态估算方法和系统。

技术介绍

[0002]外骨骼机器人系统是一种人机协作系统，可增强佩戴者在各种环境中的力量。人类操作者仅负责外骨骼机器人的位置控制、力控制和运动信号生成。外骨骼机器人挂杆操作系统的结构如图2所示，图2中，1为外骨骼背架，2为外骨骼大臂，3为外骨骼小臂，4为外骨骼操作终端夹具，外骨骼背架1与外骨骼大臂2之间为肩关节，外骨骼大臂2与外骨骼小臂3之间为肘关节，外骨骼小臂3与外骨骼夹具4之间为腕关节，5为外骨骼操作手柄，6为挂杆，外骨骼操作手柄5通过六维力传感器7与外骨骼夹具4相连，六维力传感器7可以采集人体操作手柄时的人机作用力。现有的外骨骼机器人在上肢挂杆过程中，主要通过关节角度信息和操作终端的力学信息进行关节控制，而操作终端的负载信息通常是未知的，在实际控制过程中，操作终端夹持的杆件往往具有较大的差异，其重量及质心位置均会影响控制效果。因此，需要对外骨骼挂杆操作终端的负载进行重量和质心的准确估算，以便于感知及辨别外骨骼机器人的使用状态，提高控制精度。

技术实现思路

[0003]本专利技术提供了一种外骨骼挂杆操作终端负载动态估算方法和系统，用于对外骨骼挂杆操作终端的负载进行重量和质心的准确估算，以便于感知及辨别外骨骼机器人的使用状态，提高控制精度。
[0004]有鉴于此，本专利技术第一方面提供了一种外骨骼挂杆操作终端负载动态估算方法，包括：
[0005]建立外骨骼上肢力学模型，求解出双臂操作终端位置处挂杆对外骨骼夹具的作用力；
[0006]建立外骨骼上肢运动学模型，根据D
‑
H参数分析双臂操作终端位置随关节角度的变化关系，求解出双臂操作终端的位置；
[0007]根据双臂操作终端的位置计算双臂操作终端的距离；
[0008]建立挂杆的力学模型，根据双臂操作终端的距离和双臂操作终端位置处挂杆对外骨骼夹具的作用力，计算出挂杆的质量和重心位置。
[0009]可选地，建立外骨骼上肢力学模型，求解出双臂操作终端位置处挂杆对外骨骼夹具的作用力，包括：
[0010]获取外骨骼上肢各关节的角度信息、角速度信息和角加速度信息，建立外骨骼上肢力学模型，外骨骼上肢力学模型为：
[0011][0012]其中，τ
d
为维持上肢运动的关节力矩，M(θ)为质量矩阵，θ为关节处的角度，为关
节处的角加速度，为关节处的角速度，为离心力和科氏力矢量，G(θ)为重力矢量；
[0013]根据穿戴者操作过程中对外骨骼上肢末端施加的作用力，计算手部作用力在各关节位置的映射力矩，计算公式为：
[0014]τ
h
＝J
T
F
h
[0015]其中，τ
h
为手部作用力在各关节位置的映射力矩，J
T
为雅克比矩阵J的转置矩阵，F
h
为穿戴者操作过程中对外骨骼上肢末端施加的作用力；
[0016]根据各关节电机获取到的反馈电流计算关节驱动的输出力矩，计算公式为：
[0017]τ
m
＝k
i
n
r
i
m
[0018]其中，τ
m
为关节驱动的输出力矩，k
i
为关节电机力矩常数，n
r
为减速器的减速比，i
m
为关节电机获取到的反馈电流；
[0019]根据关节驱动的输出力矩、手部作用力在各关节位置的映射力矩和维持上肢运动的关节力矩，计算操作终端挂杆压力在各关节位置的映射力矩，计算公式为：
[0020]τ
b
＝τ
d
‑
τ
h
‑
τ
m
[0021]其中，τ
b
为操作终端挂杆压力在各关节位置的映射力矩；
[0022]根据操作终端挂杆压力在各关节位置的映射力矩计算双臂操作终端位置处挂杆对外骨骼夹具的作用力，双臂操作终端位置处挂杆对外骨骼夹具的作用力的计算公式为：
[0023][0024]其中，F
b
为单臂操作终端位置处挂杆对外骨骼夹具的作用力。
[0025]可选地，建立外骨骼上肢运动学模型，根据D
‑
H参数分析双臂操作终端位置随关节角度的变化关系，求解出双臂操作终端的位置，包括：
[0026]建立外骨骼上肢运动学模型；
[0027]根据D
‑
H参数分析双臂操作终端位置随关节角度的变化关系，获得双臂各自的坐标旋转矩阵；
[0028]根据双臂各自的坐标旋转矩阵，分别计算双臂的操作终端相对于背架的坐标位置；
[0029]根据双臂的操作终端相对于背架的坐标位置计算出双臂操作终端的位置，得到双臂操作终端的位置。
[0030]可选地，根据双臂操作终端的位置计算双臂操作终端的距离的计算公式为：
[0031]L＝|V
b
|＝P
h1
‑
P
h2
[0032]其中，L为双臂操作终端的距离，V
b
为双臂操作终端构成的空间向量，P
h1
为第一单臂的操作终端相对于背架的坐标位置，P
h2
为第二单臂的操作终端相对于背架的坐标位置。
[0033]可选地，建立挂杆的力学模型，根据双臂操作终端的距离和双臂操作终端位置处挂杆对外骨骼夹具的作用力，计算出挂杆的质量和重心位置，包括：
[0034]建立挂杆的力学模型，挂杆的力学模型为：
[0035][0036]其中，外骨骼的关节坐标系的x轴为挂杆长度延伸方向在水平面的投影方向，y轴
为小臂延伸方向在与水平面投影且垂直于x轴的方向，z轴为竖直方向，F
b1z
为第一单臂操作终端位置处挂杆对外骨骼夹具的作用力的z轴分量，F
b2z
为第二单臂操作终端位置处挂杆对外骨骼夹具的作用力的z轴分量，α为挂杆的实时姿态角，D为挂杆质心与距离最近的单臂操作终端之间的距离，m为挂杆的质量，g为重力加速度；
[0037]根据双臂操作终端的距离和双臂操作终端位置处挂杆对外骨骼夹具的作用力，计算出挂杆的质量和重心位置，计算公式为：
[0038][0039][0040]G＝L+D
[0041]其中，G为挂杆的重心位置。
[0042]本专利技术第二方面提供了一种外骨骼挂杆操作终端负载动态估算系统，
[0043]包括：
[0044]上肢力学解算模块，用于建立外骨骼上肢力学模型，求解出双臂操作终端位置处挂杆对外骨骼夹具的作用力；
[0045]终端距离解算模块，用于建立外骨骼上肢运动学模型，根据D
‑
H参数分析双臂操作终端位置随关节角本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种外骨骼挂杆操作终端负载动态估算方法，其特征在于，包括：建立外骨骼上肢力学模型，求解出双臂操作终端位置处挂杆对外骨骼夹具的作用力；建立外骨骼上肢运动学模型，根据D
‑
H参数分析双臂操作终端位置随关节角度的变化关系，求解出双臂操作终端的位置；根据双臂操作终端的位置计算双臂操作终端的距离；建立挂杆的力学模型，根据双臂操作终端的距离和双臂操作终端位置处挂杆对外骨骼夹具的作用力，计算出挂杆的质量和重心位置。2.根据权利要求1所述的外骨骼挂杆操作终端负载动态估算方法，其特征在于，建立外骨骼上肢力学模型，求解出双臂操作终端位置处挂杆对外骨骼夹具的作用力，包括：获取外骨骼上肢各关节的角度信息、角速度信息和角加速度信息，建立外骨骼上肢力学模型，外骨骼上肢力学模型为：其中，τ
d
为维持上肢运动的关节力矩，M(θ)为质量矩阵，θ为关节处的角度，为关节处的角加速度，为关节处的角速度，为离心力和科氏力矢量，G(θ)为重力矢量；根据穿戴者操作过程中对外骨骼上肢末端施加的作用力，计算手部作用力在各关节位置的映射力矩，计算公式为：τ
h
＝J
T
F
h
其中，τ
h
为手部作用力在各关节位置的映射力矩，J
T
为雅克比矩阵J的转置矩阵，F
h
为穿戴者操作过程中对外骨骼上肢末端施加的作用力；根据各关节电机获取到的反馈电流计算关节驱动的输出力矩，计算公式为：τ
m
＝k
i
n
r
i
m
其中，τ
m
为关节驱动的输出力矩，k
i
为关节电机力矩常数，n
r
为减速器的减速比，i
m
为关节电机获取到的反馈电流；根据关节驱动的输出力矩、手部作用力在各关节位置的映射力矩和维持上肢运动的关节力矩，计算操作终端挂杆压力在各关节位置的映射力矩，计算公式为：τ
b
＝τ
d
‑
τ
h
‑
τ
m
其中，τ
b
为操作终端挂杆压力在各关节位置的映射力矩；根据操作终端挂杆压力在各关节位置的映射力矩计算双臂操作终端位置处挂杆对外骨骼夹具的作用力，双臂操作终端位置处挂杆对外骨骼夹具的作用力的计算公式为：其中，F
b
为单臂操作终端位置处挂杆对外骨骼夹具的作用力。3.根据权利要求2所述的外骨骼挂杆操作终端负载动态估算方法，其特征在于，建立外骨骼上肢运动学模型，根据D
‑
H参数分析双臂操作终端位置随关节角度的变化关系，求解出双臂操作终端的位置，包括：建立外骨骼上肢运动学模型；根据D
‑
H参数分析双臂操作终端位置随关节角度的变化关系，获得双臂各自的坐标旋转矩阵；
根据双臂各自的坐标旋转矩阵，分别计算双臂的操作终端相对于背架的坐标位置；根据双臂的操作终端相对于背架的坐标位置计算出双臂操作终端的位置，得到双臂操作终端的位置。4.根据权利要求3所述的外骨骼挂杆操作终端负载动态估算方法，其特征在于，根据双臂操作终端的位置计算双臂操作终端的距离的计算公式为：L＝|V
b
|＝P
h1
‑
P
h2
其中，L为双臂操作终端的距离，V
b
为双臂操作终端构成的空间向量，P
h1
为第一单臂的操作终端相对于背架的坐标位置，P
h2
为第二单臂的操作终端相对于背架的坐标位置。5.根据权利要求4所述的外骨骼挂杆操作终端负载动态估算方法，其特征在于，建立挂杆的力学模型，根据双臂操作终端的距离和双臂操作终端位置处挂杆对外骨骼夹具的作用力，计算出挂杆的质量和重心位置，包括：建立挂杆的力学模型，挂杆的力学模型为：其中，外骨骼的关节坐标系的x轴为挂杆长度延伸方向在水平面的投影方向，y轴为小臂延伸方向在与水平面投影且垂直于x轴的方向，z轴为竖直方向，F
b1z
为第一单臂操作终端位置处挂杆对外骨骼夹具的作用力的z轴分量，F
b2z
为第二单臂操作终端位置处挂杆对外骨骼夹具的作用力的z轴分量，α为挂杆的实时姿态角，D为挂杆质心与距离最近的单臂操作终端之间的距离，m为挂杆的质量，g为重力加速度；根据双臂操作终端的距离和双臂操作终端位置处挂杆对外骨骼夹具的作用力，计算出挂杆的质量和重心位置，计算公式为：挂杆的质量和重心位置，计算公式为：G＝L+...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨玺，潘松波，赖颖东，王基琛，叶伟玲，
申请(专利权)人：广东电网有限责任公司，
类型：发明
国别省市：