一种机器人下肢训练方法技术

本发明专利技术属于下肢训练机器人技术领域，具体公开一种机器人下肢训练方法，包括以下步骤：步骤1，根据人体的步态信息拟合髋关节转角变化曲线

【技术实现步骤摘要】
一种机器人下肢训练方法


[0001]本专利技术属于下肢训练
，具体涉及一种机器人下肢训练方法
。

技术介绍

[0002]随着老龄化社会的日益加剧，越来越多的老年人由于中风
、
心血管疾病等原因丧失了下肢自主站立功能，给日常生活带来非常大的不便，生活质量严重下降，需要进行下肢康复训练
。
传统的轮式下肢康复机器人仅能对患者提供支撑，由患者带动下肢康复机器人移动，机器人无法为康复训练患者的下肢关节肌肉提供辅助力；对于髋关节屈曲能力欠缺，或存在膝过伸
、
足下垂等关节异常现象的患者，机器人无法协助改善步态，提供有效的训练
。
使用机器人带动患者被动行走时，人体的运动轨迹难以准确控制，导致人机之间柔顺性较低，舒适度低
。
而且传统的腿式下肢康复机器人，外骨骼机械腿往往需要结合电动跑台或智能拐杖使用；结合电动跑台的腿式下肢康复机器人体积庞大，康复训练受场地限制，与康复训练社区化
、
家庭化的发展趋势相违背，且往往售价高昂
。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种能够带动腿部被动行走的机器人及下肢训练方法，能够提高人机交互的柔顺性
。
[0004]基于上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0005]一种机器人下肢训练方法，机器人包括轮式移动平台，轮式移动平台包括底轮，轮式移动平台连接有升降机构，升降机构包括丝杠，还包括与丝杠连接的升降电机；升降机构连接有骨盆机构，骨盆机构连接有外骨骼机械腿，外骨机械腿包括外骨骼电机；包括以下步骤：
[0006]步骤1，根据人体的步态信息拟合髋关节转角变化曲线
、
重心上下位置变化曲线和重心前进速度变化曲线；
[0007]步骤2，根据髋关节转角变化曲线，使用重力补偿
PD
控制算法控制外骨骼电机转动；根据重心上下位置变化曲线，使用具有减重偏置的
PD
控制算法控制升降电机转动；根据重心前进速度变化曲线，使用
PI
控制算法控制底轮转动
。
[0008]进一步的，在步骤2中，控制底轮转动的方法为：按下式计算底轮前进的速度，然后根据底轮的期望前进速度计算底轮的期望转速，并控制底轮按照期望转速转动；
[0009]ω
＝
K
pDL
·
e
底轮
+K
iDL
·
∫e
底轮
dt
[0010]式中，
ω
为底轮的期望前进速度，
K
pDL
为比例系数，
K
iDL
为积分系数，
e
底轮
为上一时刻的重心前进速度变化曲线的值与上一时刻重心实际前进速度的差值；计算
ω
时首先判断
ω
(t
‑
1)
是否已超出限制值，若超出限制值，则只累加负偏差
,
若未超出限制，则累加正偏差
。
[0011]进一步的，在步骤2中，控制外骨骼电机转动的方法为：按下式计算外骨骼电机的转矩，并控制外骨骼电机按照转矩转动；
[0012][0013]式中，
e
单关节
为上一时刻的髋关节转角变化曲线的值与上一时刻的髋关节实际角度的差值，
K
pDGJ
为比例系数，
K
dDGJ
为微分系数，为对重力矩的估计值
。
[0014]进一步的，在步骤2中，控制升降电机转动的方法为：按下式计算升降电机的转矩，并控制升降电机按照转矩转动；
[0015][0016]式中，
L0为滚珠丝杠导程，
F
y
为减重力，
m
t
为骨盆机构的质量，
g
是重力加速度，为骨盆机构与髋关节连接位置期望的加速度，为骨盆机构与髋关节连接位置期望的速度，
e
升降
为上一时刻的重心上下位置变化曲线值与上一时刻重心实际上下位置的差值，
μ
为滚珠丝杠的摩擦系数，
K
pSJ
为比例系数，
K
dSJ
为微分系数
。
[0017]进一步的，在步骤2中，控制底轮转动的方法为：通过协调校验算法调整参数，按下式计算底轮前进的速度，然后根据底轮的期望前进速度计算底轮的期望转速，并控制底轮按照期望转速转动；
[0018][0019][0020]ω
＝
K
pDL
·
e
底轮
+K
iDL
·
∫e
底轮
dt
[0021]式中，
ω
为底轮的期望前进速度，
K
pDL
为比例系数，
K
iDL
为积分系数，
ω
d
为重心前进速度变化曲线的值，
y
d
足
为期望足位置，利用重心前进方向的速度曲线计算期望足位置
y
d
足
。y
足
为实际足位置，
K
协调
为调节系数，调节系数为负数；计算
ω
时首先判断
ω
(t
‑
1)
是否已超出限制值，若超出限制值，则只累加负偏差
,
若未超出限制，则累加正偏差
。
[0022]进一步的，在步骤2中，控制升降电机转动的方法为：首先计算目标阻尼和目标刚度：
[0023][0024]式中，
F
ext
为上一时刻的人机交互力，
B
d
为目标阻尼，
K
d
为目标刚度，
B0与
K0为初始导纳参数，
v
hip
为外骨骼机械腿的平均角速度，
k
b
与
k
f
为相应的调整系数；
[0025]然后使用上一时刻的重心上下位置变化曲线值与实际位置的差值，和上一时刻的重心上下速度变化曲线值与实际速度的差值，更新当前时刻
PD
控制算法的输入值和
y
e
：
[0026]最后计算升降电机的转矩，并控制升降电机按照转矩转动；
[0027][0028]式中，
τ
y
为升降电机的转矩，
L0为滚珠丝杠导程，
F
y
为减重力，
m
t
为骨盆机构的质量，
g
是重力加速度，为骨盆机构与髋关节连接位置期望的加速度，为骨盆机构与髋关节连接位置期望的速度，...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种机器人下肢训练方法，机器人包括轮式移动平台，轮式移动平台包括底轮，轮式移动平台连接有升降机构，升降机构包括丝杠，还包括与丝杠连接的升降电机；升降机构连接有骨盆机构，骨盆机构连接有外骨骼机械腿，外骨机械腿包括外骨骼电机；其特征在于，包括以下步骤：步骤1，根据人体的步态信息拟合髋关节转角变化曲线
、
重心上下位置变化曲线和重心前进速度变化曲线；步骤2，根据髋关节转角变化曲线，使用重力补偿
PD
控制算法控制外骨骼电机转动；根据重心上下位置变化曲线，使用具有减重偏置的
PD
控制算法控制升降电机转动；根据重心前进速度变化曲线，使用
PI
控制算法控制底轮转动
。2.
如权利要求1所述的机器人的下肢训练方法，其特征在于，在步骤2中，控制底轮转动的方法为：按下式计算底轮前进的速度，然后根据底轮的期望前进速度计算底轮的期望转速，并控制底轮按照期望转速转动；
ω
＝
K
pDL
·
e
底轮
+K
iDL
·
∫e
底轮
dt
式中，
ω
为底轮的期望前进速度，
K
pDL
为比例系数，
K
iDL
为积分系数，
e
底轮
为上一时刻的重心前进速度变化曲线的值与上一时刻重心实际前进速度的差值；计算
ω
时首先判断
ω
(t
‑
1)
是否已超出限制值，若超出限制值，则只累加负偏差
,
若未超出限制，则累加正偏差
。3.
如权利要求1所述的机器人的下肢训练方法，其特征在于，在步骤2中，控制外骨骼电机转动的方法为：按下式计算外骨骼电机的转矩，并控制外骨骼电机按照转矩转动；式中，
e
单关节
为上一时刻的髋关节转角变化曲线的值与上一时刻的髋关节实际角度的差值，
K
pDGJ
为比例系数，
K
dDGJ
为微分系数，为对重力矩的估计值
。4.
如权利要求1所述的机器人的下肢训练方法，其特征在于，在步骤2中，控制升降电机转动的方法为：按下式计算升降电机的转矩，并控制升降电机按照转矩转动；式中，
L0为滚珠丝杠导程，
F
y
为减重力，
m
t
为骨盆机构的质量，
g
是重力加速度，为骨盆机构与髋关节连接位置期望的加速度，为骨盆机构与髋关节连接位置期望的速度，
e
升降
为上一时刻的重心上下位置变化曲线值与上一时刻重心实际上下位置的差值，
μ
为滚珠丝杠的摩擦系数，
K
pSJ
为比例系数，
K
dSJ
为微分系数
。5.
如权利要求1或3所述的机器人的下肢训练方法，其特征在于，在步骤2中，控制底轮转动的方法为：按下式计算底轮前进的速度，然后根据底轮的期望前进速度计算底轮的期望转速，并控制底轮按照期望转速转动；望转速，并控制底轮按照期望转速转动；
ω
＝
K
pDL
·
e
底轮
+K
iDL
·
∫e
底轮
dt
式中，
ω
为底轮的期望前进速度，
K
pDL
为比例系数，
K
iDL
为积分系数，
ω
d
为重心前进速度变化曲线的值，
y
d
足
为期望足位置，
y
足
为实际足位置，
...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭帅，杨帆，吴杰，宋韬，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：