康复机器人主动训练柔性控制方法及装置制造方法及图纸

技术编号:39516483 阅读:11 留言:0更新日期:2023-11-25 18:53
本发明专利技术属于康复训练器械的技术领域,提供了一种康复机器人主动训练柔性控制方法及装置,该康复机器人主动训练柔性控制方法包括:获取多个旋转关节的实时角度和实时角速度;计算实时角度的偏差量,根据第一等效阻抗模型对偏差量和实时角速度进行计算得到第一关节力矩;计算实时角度对应的位移的偏差量,根据第二等效阻抗模型对位移的偏差量和实时角速度对应的速度进行计算和矩阵转换得到第二关节力矩;基于第一关节力矩和第二关节力矩得到第三关节力矩

【技术实现步骤摘要】
康复机器人主动训练柔性控制方法及装置


[0001]本专利技术涉及康复训练器械的
,尤其涉及一种康复机器人主动训练柔性控制方法及装置


技术介绍

[0002]随着计算机和机器人技术在医疗康复领域的蓬勃发展,康复机器人因其控制精度高

不受人工康复医师的体力影响

计算机数据记录等特点,正在逐渐成为康复训练的首选

[0003]相关技术中,通过建立机器人动力学模型,并采用零力控制的方法控制康复机器人跟随人体完成自由运动,但由于机器人的单关节具有特定的运动范围,当单关节转动超过角度阈值时会出现关节急停的情况,关节会受到反作用力而引起损伤,使得用户在完全自主的运动环境下进行康复训练的安全性低,同时影响训练的流畅性;对于关节的边缘运动姿态,由于机器人的关节工作空间边缘是肢体组合运动的局限性和周围环境物体产生的,若未对关节的边缘运动姿态进行约束或优化,也会引发安全问题


技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种康复机器人主动训练柔性控制方法及装置,用以解决现有技术未对机器人的单关节运动范围和边缘运动姿态进行限制和约束,容易导致用户在完全自主的运动环境进行康复训练的安全性低的缺陷,提升了用户进行康复训练的安全性和柔性

[0005]本专利技术提供一种康复机器人主动训练柔性控制方法,应用于康复机器人,所述康复机器人包括多个旋转关节,包括:获取所述多个旋转关节的实时角度和实时角速度;根据关节空间角度阈值计算所述实时角度的偏差量,并根据第一等效阻抗模型对所述偏差量和所述实时角速度进行阻抗控制计算,得到第一关节力矩;根据机器人运动学模型计算所述实时角度对应的位移和所述实时角速度对应的速度,根据笛卡尔空间运动阈值计算所述位移的偏差量,并根据第二等效阻抗模型对所述位移的偏差量和所述速度进行阻抗控制计算和矩阵转换,得到第二关节力矩;其中,所述第一等效阻抗模型基于机械臂阻抗控制系统确定,所述第二等效阻抗模型基于笛卡尔空间坐标系和虚拟现实技术确定,所述笛卡尔空间运动阈值基于虚拟现实技术确定;基于所述第一关节力矩和所述第二关节力矩,得到第三关节力矩,所述第三关节力矩用于作为所述康复机器人的零力控制输入,并结合所述康复机器人的交互力实现对所述多个旋转关节的运动状态的调节

[0006]根据本专利技术提供的一种康复机器人主动训练柔性控制方法,所述获取所述多个旋转关节的实时角度和实时角速度包括:采集所述康复机器人的关节动力学信息和力矩信息;基于机器人动力学模型对所述关节动力学信息进行参数辨识,得到关节力矩数
据,所述关节力矩数据用于表示所述康复机器人在空载模式下进行运动时所需的实时力矩,所述动力学模型基于所述康复机器人的惯性矩阵

科氏力和离心力项矩阵

重力向量和关节旋转角度信息确定;基于所述力矩信息和所述关节力矩数据对所述康复机器人的目标交互力进行零力补偿计算,得到第一交互力补偿,所述目标交互力包括重力

摩擦力和转动惯量中的至少一项;计算所述第一交互力补偿和所述关节力矩数据之间的和值,得到第一力矩,并以所述第一力矩作为所述多个旋转关节的控制输入,调节所述多个旋转关节的初始运动状态,得到所述实时角度和所述实时角速度

[0007]根据本专利技术提供的一种康复机器人主动训练柔性控制方法,所述根据第二等效阻抗模型对所述位移的偏差量和所述速度进行阻抗控制计算和矩阵转换,得到第二关节力矩包括:基于笛卡尔阻抗控制系统等效模型对所述位移的偏差量和所述速度进行阻抗控制计算,得到三维阻抗力,所述笛卡尔阻抗控制系统等效模型基于刚度参数

阻尼参数

关节位置误差和关节速度信息确定;基于雅可比矩阵对所述三维阻抗力进行矩阵转换,得到所述第二关节力矩

[0008]根据本专利技术提供的一种康复机器人主动训练柔性控制方法,在所述得到第三关节力矩之后,所述方法还包括:计算所述第三关节力矩和所述康复机器人的交互力误差之间的差值,得到关节力矩差值,所述交互力误差基于所述康复机器人的力矩信息和关节力矩数据的差值得到;根据
PID
对所述关节力矩差值进行力矩转换,得到第二交互力补偿;计算所述第二交互力补偿和所述关节力矩数据之间的和值,得到第二力矩,并基于所述第二力矩控制所述多个旋转关节运动状态

[0009]根据本专利技术提供的一种康复机器人主动训练柔性控制方法,所述第一等效阻抗模型应用如下公式得到:;其中,为第
i
个旋转关节的力矩,为刚度参数,为阻尼参数,为目标角度阈值,为当前角度信息,为当前关节角速度信息,为第
i
个旋转关节对应的力臂长度

[0010]根据本专利技术提供的一种康复机器人主动训练柔性控制方法,所述笛卡尔阻抗控制系统等效模型应用如下公式得到:;其中,
F
为所述三维阻抗力,为所述刚度参数,为所述阻尼参数,为所述关节位置误差,为所述关节速度信息

[0011]本专利技术还提供一种康复机器人主动训练柔性控制装置,包括:参数获取模块,用于获取康复机器人的多个旋转关节的实时角度和实时角速度;力矩生成模块,用于根据关节空间角度阈值计算所述实时角度的偏差量,并根据第一等效阻抗模型对所述偏差量和所述实时角速度进行阻抗控制计算,得到第一关节力矩;根据机器人运动学模型计算所述实时角度对应的位移和所述实时角速度对应的速度,
根据笛卡尔空间运动阈值计算所述位移的偏差量,并根据第二等效阻抗模型对所述位移的偏差量和所述速度进行阻抗控制计算和矩阵转换,得到第二关节力矩;其中,所述第一等效阻抗模型基于机械臂阻抗控制系统确定,所述第二等效阻抗模型基于笛卡尔空间坐标系和虚拟现实技术确定,所述笛卡尔空间运动阈值基于虚拟现实技术确定;第一力矩合成模块,用于基于所述第一关节力矩和所述第二关节力矩,得到第三关节力矩,所述第三关节力矩用于作为所述康复机器人的零力控制输入,并结合所述康复机器人的交互力实现对所述多个旋转关节的运动状态的调节

[0012]根据本专利技术提供的一种康复机器人主动训练柔性控制装置,所述装置还包括:第二力矩合成模块,用于在所述得到第三关节力矩之后,计算所述第三关节力矩和所述康复机器人的交互力误差之间的差值,得到关节力矩差值,所述交互力误差基于所述康复机器人的力矩信息和关节力矩数据的差值得到;交互力补偿计算模块,用于根据
PID
对所述关节力矩差值进行力矩转换,得到第二交互力补偿;第三力矩合成模块,用于计算所述第二交互力补偿和所述关节力矩数据之间的和值,得到第二力矩,并基于所述第二力矩控制所述多个旋转关节运动状态

[0013]本专利技术还提供一种电子设备,包括存储器

处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述康复机器人主动训练柔性控制方法
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种康复机器人主动训练柔性控制方法,应用于康复机器人,所述康复机器人包括多个旋转关节,其特征在于,包括:获取所述多个旋转关节的实时角度和实时角速度;根据关节空间角度阈值计算所述实时角度的偏差量,并根据第一等效阻抗模型对所述偏差量和所述实时角速度进行阻抗控制计算,得到第一关节力矩;根据机器人运动学模型计算所述实时角度对应的位移和所述实时角速度对应的速度,根据笛卡尔空间运动阈值计算所述位移的偏差量,并根据第二等效阻抗模型对所述位移的偏差量和所述速度进行阻抗控制计算和矩阵转换,得到第二关节力矩;其中,所述第一等效阻抗模型基于机械臂阻抗控制系统确定,所述第二等效阻抗模型基于笛卡尔空间坐标系和虚拟现实技术确定,所述笛卡尔空间运动阈值基于虚拟现实技术确定;基于所述第一关节力矩和所述第二关节力矩,得到第三关节力矩,所述第三关节力矩用于作为所述康复机器人的零力控制输入,并结合所述康复机器人的交互力实现对所述多个旋转关节的运动状态的调节
。2.
根据权利要求1所述的康复机器人主动训练柔性控制方法,其特征在于,所述获取所述多个旋转关节的实时角度和实时角速度包括:采集所述康复机器人的关节动力学信息和力矩信息;基于机器人动力学模型对所述关节动力学信息进行参数辨识,得到关节力矩数据,所述关节力矩数据用于表示所述康复机器人在空载模式下进行运动时所需的实时力矩,所述动力学模型基于所述康复机器人的惯性矩阵

科氏力和离心力项矩阵

重力向量和关节旋转角度信息确定;基于所述力矩信息和所述关节力矩数据对所述康复机器人的目标交互力进行零力补偿计算,得到第一交互力补偿,所述目标交互力包括重力

摩擦力和转动惯量中的至少一项;计算所述第一交互力补偿和所述关节力矩数据之间的和值,得到第一力矩,并以所述第一力矩作为所述多个旋转关节的控制输入,调节所述多个旋转关节的初始运动状态,得到所述实时角度和所述实时角速度
。3.
根据权利要求1所述的康复机器人主动训练柔性控制方法,其特征在于,所述根据第二等效阻抗模型对所述位移的偏差量和所述速度进行阻抗控制计算和矩阵转换,得到第二关节力矩包括:基于笛卡尔阻抗控制系统等效模型对所述位移的偏差量和所述速度进行阻抗控制计算,得到三维阻抗力,所述笛卡尔阻抗控制系统等效模型基于刚度参数

阻尼参数

关节位置误差和关节速度信息确定;基于雅可比矩阵对所述三维阻抗力进行矩阵转换,得到所述第二关节力矩
。4.
根据权利要求1所述的康复机器人主动训练柔性控制方法,其特征在于,在所述得到第三关节力矩之后,所述方法还包括:计算所述第三关节力矩和所述康复机器人的交互力误差之间的差值,得到关节力矩差值,所述交互力误差基于所述康复机器人的力矩信息和关节力矩数据的差值得到;根据
PID
对所述关节力矩差值进行力矩转换,得到第二交互力补偿;计算所述第二交互力补偿...

【专利技术属性】
技术研发人员:彭亮王晨侯增广崔德成
申请(专利权)人:中国科学院自动化研究所
类型:发明
国别省市:

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