【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种人体下肢康复机器人构建方法，属于康复机器人。
技术介绍
1、康复训练可以促进肢体与中枢神经的连接，促进大脑受损部位的恢复，更好地对肢体进行控制。传统的人工康复训练效果受环境、医师专业水平等影响，且操作标准与评定指标也无法规范统一；而下肢康复机器人由于稳定性好、重复性强，能通过高强度重复性运动与精准控制实现辅助治疗功能，近年来具有很高的研究热度。
2、目前下肢康复机器人按照驱动方式可以分为外骨骼式与末端驱动式两类。下肢外骨骼康复机器人的执行结构仿照人体关节运动，通常是由两条跟人体下肢结构原理类似的外骨骼腿组成，在康复训练中把外骨骼腿与病者的大腿、小腿并列连接，直接对病人的各个关节施加物理作用，进而带动下肢完成步态训练动作，最终达到康复训练的效果。末端驱动式康复机器人是通过机构末端与人体下肢相接触，下肢康复机器人作为动力源引导肢体末端按照一定的轨迹运动，大多通过踏板与人体足部进行连接，进而带动人体下肢完成步态动作，从而达到康复训练的效果。
3、虽然现有康复机器人能够实现人体下肢步态训练，并且通过编程能够生成不同的步态轨迹并可应用于多种康复训练环境。然而，其繁杂的结构和大量的执行单元大大增加了控制难度，因此制作成本较高，导致仍然有大量的下肢功能障碍患者面临康复训练不足的问题。针对下肢康复机器人控制复杂、造价昂贵的问题，本专利技术以正常步态轨迹为目标轨迹，对下肢康复机器人进行结构设计。下肢康复机构的设计往往需要解决“已知下肢运动轨迹的多位置轨迹综合”的问题。轨迹综合是连杆机构尺度综合中的一个经典
4、根据设计要求，现有轨迹综合方法主要包括：解析法、数值图谱法和优化法。利用解析法对连杆机构进行轨迹综合时，首先是根据给定设计条件建立方程组，其次是将给定的设计参数代入方程组中求解非线性方程，从而实现连杆机构的设计。虽然解析法能够根据给定条件求解出机构尺寸参数，但是受给定设计要求的位置数不能超过建立方程数目的限制，给定设计条件的精确位置数一般不超过9个，并且随着给定位置数量的增加，非线性方程组的数目也会随之增加，导致求解难度加大。因此，该方法只适用于少位置设计要求的轨迹问题，而对于实际工程中多位置设计要求的轨迹问题，目前主要采用的求解方法是优化法和数值图谱法。
5、数值图谱法与解析法相比，简单高效，且不受给定点的限制。然而，由于数值图谱法是基于模糊识别理论和穷举法，在保证精度的前提下，该方法需要预先建立庞大的图谱库。从而造成图谱库占用空间大，综合过程耗时长，匹配识别效率低等问题。并且由于图谱库中存储的机构尺寸型是离散的，很难得到高精度综合结果。
6、优化方法是连杆机构轨迹综合中应用最广泛的工具。优化法在给定优化变量初值较好的情况下，可以在极短的设计周期内给出高精度的设计方案。然而，优化法不能避免的问题是综合结果受目标函数的影响较大，也就是如何评估一个机构连杆生成轨迹与目标轨迹的相似性。目前，跟踪误差是轨迹综合问题中最常用的目标函数，其定义是目标点与机构的生成轨迹上相同数量的轨迹点之间对应距离的平方和。因此，如何利用轨迹综合方法找到机构连杆解的输出轨迹与目标轨迹点相似性最高是亟待解决的问题。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种人体下肢康复机器人构建方法，以解决如何利用轨迹综合方法找到机构连杆解的输出轨迹与目标轨迹点相似性最高的问题。
2、一种人体下肢康复机器人构建方法，所述方法包括：
3、获取人体下肢运动作为目标轨迹，对目标轨迹进行离散化处理，得到若干综合目标轨迹点；
4、基于差分进化算法，预设算法参数和机构参数范围，随机生成六个机构参数；
5、根据随机生成的六个机构参数对综合目标轨迹点进行处理，得到四杆机构全尺寸参数；
6、根据得到的四杆机构全尺寸参数，确定下肢康复机器人安装位置参数及尺寸参数，构建人体下肢康复机器人。
7、进一步地，所述对目标轨迹进行离散化处理采用三维惯性运动捕捉系统获取人体下肢在一定范围内的n个目标轨迹点，从而作为离散化的目标轨迹。
8、进一步地，所述构建平面四杆机构的运动学模型，获得下肢康复四杆机构轨迹点方程的方法包括：
9、建立全局坐标系x1o1y1，设ab为输入杆，bc为连杆，cd为连架杆，ad为机架，l1，l2，l3和l4分别为ab，bc，cd和ad各连杆的长度，点p表示连杆上的任意一点，由lp和θp定义，lβ和β是机架的安装位置参数，θ0是机架的安装角度参数，θ2是连杆角度，θ1是输入角度，平面四杆机构连杆任意位置p1点的四连杆机构轨迹点方程为：
10、
11、式中，其中，θa是输入杆ab与x1轴的夹角(θa＝θ0+θ1)，将θa定义为相对输入角。
12、进一步地，所述利用随机生成的机构参数对综合目标轨迹点处理的方法包括：
13、根据随机生成的6个机构参数：lβ、β、1θa、δθ、θp、l2/l1，将生成的机架的安装位置参数lβ和β代入四连杆机构轨迹点方程，确定出四杆机构的输入固定点a的位置；
14、以输入固定点a为原点，建立坐标系x2o2y2，x2轴与x1轴平行，综合目标轨迹点在坐标系x2o2y2中描述为：
15、
16、将综合目标轨迹点p2绕输入固定点a旋转θa，得到综合目标特征点方程：
17、
18、将第1个和第n个综合目标轨迹点分别绕输入固定点a旋转生成的1θa和nθa(nθa＝1θa+δθ)，得到两个综合目标特征点1p′2和np′2；
19、根据综合目标特征点1p′2和np′2作中垂线交于x2轴，得到交点坐标(l1，0)；
20、根据生成的l2/l1，得到l2；
21、根据交点坐标和两个综合目标特征点到交点之间的欧氏距离，得到圆心为(l1，0)，半径为lp的特征圆；
22、将剩余所有综合目标轨迹点绕输入固定点a旋转一周，形成轨迹圆；
23、轨迹圆与特征圆相交会产生1个或者2个综合目标特征点交点；
24、综合目标特征点在特征圆上按顺时针顺序排列，根据已知的第1个和第n个综合目标特征点与输入固定点a的位置关系确定出剩余的综合目标特征点的位置；
25、按顺时针顺序排列确定剩余的综合目标特征点在特征圆上的位置；
26、根据综合目标特征点与相应的综合目标轨迹点之间的旋转角度即为相对输入角θa，综合目标特征点与x2轴的夹角θ2+θp-θ1为离心角；
27、根据离心角、相对输入角θa本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种人体下肢康复机器人构建方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的人体下肢康复机器人构建方法，其特征在于，所述对目标轨迹进行离散化处理采用三维惯性运动捕捉系统获取人体下肢在一定范围内的N个目标轨迹点，从而作为离散化的目标轨迹。
3.根据权利要求1所述的人体下肢康复机器人构建方法，其特征在于，所述构建平面四杆机构的运动学模型，获得下肢康复四杆机构轨迹点方程的方法包括：
4.根据权利要求1所述的人体下肢康复机器人构建方法，其特征在于，所述利用随机生成的机构参数对综合目标轨迹点处理的方法包括：
5.根据权利要求4所述的人体下肢康复机器人构建方法，其特征在于，所述对初始四杆机构全尺寸参数进行优化处理，得到最优四杆机构全尺寸参数的方法包括：
6.根据权利要求5所述的人体下肢康复机器人构建方法，其特征在于，所述目标函数的约束条件包括：
7.根据权利要求4所述的人体下肢康复机器人构建方法，其特征在于，根据已知的第1个和第N个综合目标特征点与输入固定点A的位置关系确定出剩余的综合目标特征点的位置包括8种
8.根据权利要求7所述的人体下肢康复机器人构建方法，其特征在于，8种位置关系判定准则分别是：
...【技术特征摘要】
1.一种人体下肢康复机器人构建方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的人体下肢康复机器人构建方法，其特征在于，所述对目标轨迹进行离散化处理采用三维惯性运动捕捉系统获取人体下肢在一定范围内的n个目标轨迹点，从而作为离散化的目标轨迹。
3.根据权利要求1所述的人体下肢康复机器人构建方法，其特征在于，所述构建平面四杆机构的运动学模型，获得下肢康复四杆机构轨迹点方程的方法包括：
4.根据权利要求1所述的人体下肢康复机器人构建方法，其特征在于，所述利用随机生成的机构参数对综合目标轨迹点处理的方法包括：
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