CN111938989A - 一种刚柔混联下肢步态康复训练机器人的运动稳定性评价方法 - Google Patents

一种刚柔混联下肢步态康复训练机器人的运动稳定性评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种刚柔混联下肢步态康复训练机器人的运动稳定性评价方法，结合刚柔混联下肢步态康复训练机器人的柔索拉力、***刚度和脚踏板的运动速度及刚性支链B1的运动速度等因素，可以全面的评价刚柔混联下肢步态康复训练机器人的稳定性，为刚柔混联下肢步态康复训练机器人的结构设计、控制策研究和训练任务规划提供理论依据，可以有效提高训练对象的安全性。

Description

一种刚柔混联下肢步态康复训练机器人的运动稳定性评价 方法
技术领域
本发明涉及一种刚柔混联下肢步态康复训练机器人的运动稳定性评价方法，属于刚柔混联机器人的稳定性研究领域。
背景技术
刚柔混联机器人由于采用柔索作为驱动元件，为了扩大其工作空间引入了刚性运动支链，其能够获得很好的机动性能，但是其末端执行器的运动稳定性限制其在实际应用中的进一步发展。
Behzadipour S.等人提出应用***总刚度矩阵来评价***的稳定性，但在建立***模型时将柔索简化为直线弹簧，与实际柔索模型相差太大，而且在***总刚度求解和稳定性计算过程要求很严格，难以定量评价***的运动稳定性；Vijay Kumar课题组采用Hessian矩阵分析了柔索驱动并联机器人***的静稳定性，并讨论了机器人***的空间配置问题，当Hessian矩阵特征值均为正值时，机器人***的运动是稳定的，但没有考虑柔索拉力对被末端执行器运动稳定性的影响；Bosscher P.et al.提出一种基于运动旋量斜率的方法评价柔索并联机器人的运动稳定，可以定量地评价***的运动稳定性，但仍未考虑柔索拉力对末端执行器运动稳定性的影响；刘鹏等人针对绳牵引并联机器人的静态结构稳定性进行了深入的研究，考虑了末端执行器的位置、柔索拉力分布等两个因素，定义了***的稳定性及评价方式，但该***为4根柔索协同吊运同一具有3个线性移动自由的末端执行器，但柔索拉力性能因子是从水平方向和竖直方向等两个方向上定义的，不能全面的评价机器人的运动稳定性；赵志刚、王砚麟等人提出分别采用克拉索夫斯基方法和力位姿混合的方法评价柔索驱动并联机器人的稳定性，并给出了稳定性评价指标，但并没有考虑***刚度和末端执行器的运动速度对***稳定性的影响；杨健等人采用综合柔索拉力和***刚度两个因素评价了末端3个线性自由度末端执行器的稳定性，但提出的性能因子只是从整个工作空间层面上定义的，并没有考虑当前状态下拉力和***刚度对运动稳定性的影响；专利ZL201711047293.9和ZL201710372517.7均结合柔索拉力、末端所处位置和姿态进行评价没有刚性运动支链存在的并联机器人的运动稳定性，但是没有考虑***刚度和刚性运动支链运动速度对并联机器人的稳定性的影响。
上述文献中对***稳定性的研究采用了不同的方法进行讨论，但考虑因素单一，不够全面；由于在刚柔混联下肢康复训练机器人中存在刚性支链，而刚性支链可以很好的消除脚踏板的位置对运动稳定性的影响；但刚性支链的存在又多引入了一个对运动稳定性的影响因素，刚柔混联下肢康复训练机器人的稳定性取决于结构参数、配置参数以及控制算法，三种之间存在密切的关系，且相互影响；但就目前而言，刚柔混联下肢康复训练机器人的运动稳定性与柔索拉力约束、***刚度和脚踏板以及刚性支链运动速度之间的显示数学表达式有待进一步完善。
发明内容
本发明的目的是为了保证刚柔混联下肢步态康复训练机器人稳定性和训练对象的安全性，提供了一种刚柔混联下肢步态康复训练机器人运动稳定性的评价方法，该方法结合刚柔混联下肢步态康复训练机器人的柔索拉力、***刚度和脚踏板的运动速度及刚性支链B1的运动速度等因素，可以全面的评价刚柔混联下肢步态康复训练机器人的稳定性，为刚柔混联下肢步态康复训练机器人的结构设计、控制策研究和训练任务规划提供理论依据，可以有效提高训练对象的安全性。
本发明的目的是这样实现的：步骤如下：
步骤一：根据刚柔混联下肢步态康复训练机器人刚性支链运动规划和广义动力学模型与柔索拉力优化解，定义两个用以描述刚柔混联下肢步态康复训练机器人在最小约束方向上的柔索拉力对脚踏板运动稳定性的影响的柔索拉力性能因子
Figure BDA0002591064270000021
和
Figure BDA0002591064270000022
Figure BDA0002591064270000023
Figure BDA0002591064270000024
其中：
Figure BDA0002591064270000025
表示踝关节在当前所处位置时柔索拉力的分布均匀程度的评价指标，
Figure BDA0002591064270000026
表示当前柔索拉力在整个可行工作空间内的分布均匀程度的评价指标，tcmin表示脚踏板在当前所处位置时的最小柔索拉力，tcmax表示脚踏板在当前所处位置时的最大柔索拉力，
Figure BDA00025910642700000212
表示脚踏板在工作空间内所有位置点的最小柔索拉力的最大值；
步骤二：基于刚柔混联下肢步态康复训练机器人***的刚度模型，提出两个评价当前位置的刚度和整个工作空间内的刚度分布情况的***刚度性能因子
Figure BDA0002591064270000027
和
Figure BDA0002591064270000028
Figure BDA0002591064270000029
Figure BDA00025910642700000210
其中：Kcmin表示脚踏板在当前位置各运动方向上的最小刚度，Kcmax表示脚踏板在当前位置各运动方向上的最大刚度，σcmin表示当前***刚度矩阵的最小奇异值，
Figure BDA00025910642700000211
表示康复机器人在整个工作空间内所有位置点***刚度矩阵的最小奇异值的最大值；
步骤三：得出运动速度影响函数f(v)和f(vB1)：
Figure BDA0002591064270000031
Figure BDA0002591064270000032
其中，v表示脚踏板的当前运动速度，vB1表示刚性支链B1的当前运动速度，vmax表示由机器人结构、柔索性能、电机性能和患者安全性考虑所确定的脚踏板最大运动速度，
Figure BDA0002591064270000033
表示由电机性能、柔索性能、刚性支链中丝杠特性和患者安全性考虑所确定的刚性支链B1的最大运动速度；
步骤四：根据步骤一至步骤三，得到刚柔混联下肢步态康复训练机器人脚踏板的动态运动稳定性评价指标S为：
Figure BDA0002591064270000034
式中：
Figure BDA0002591064270000035
η1和η2为加权系数，且有
Figure BDA0002591064270000036
η1+η2＝1。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.步骤一中的柔索拉力分别为：
tcmin＝min(T)
tcmax＝max(T)
Figure BDA0002591064270000037
其中，tmin表示在整个工作空间内所有位置点的最小柔索拉力向量，max(·)和min(·)分别表示柔索拉力向量的最大分量和最小分量，T为机器人柔索拉力矩阵。
2.所述加权系数
Figure BDA0002591064270000038
η1和η2的取值大小由机器人结构参数、柔索拉力优化函数、刚性支链的运动规划和对应的所述柔索拉力性能因子
Figure BDA0002591064270000039
和
Figure BDA00025910642700000310
***刚度性能因子
Figure BDA00025910642700000311
和
Figure BDA00025910642700000312
速度影响函数f(v)和f(vB1)对脚踏板运动稳定性的贡献大小共同确定。
3.所述加权系数
Figure BDA00025910642700000313
η1和η2的取值范围均为[0,1]。
4.所述刚柔混联下肢步态康复训练机器人脚踏板的运动稳定性评价指标S的取值范围为[0,1]，当S趋近于0时，表示刚柔混联下肢步态康复训练机器人脚踏板的运动稳定性程度较差，当S趋近于1时，表示刚柔混联下肢步态康复训练机器人脚踏板的运动稳定性程度较好。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：结合刚柔混联下肢步态康复训练机器人的柔索拉力、***刚度和脚踏板的运动速度及刚性支链B1的运动速度等因素分析了刚柔混联下肢步态康复训练机器人运动的稳定性，提出了一种刚柔混联下肢步态康复训练机器人运动稳定性评价方法，考虑影响因素全面，该方法可以更加全面地评价刚柔混联下肢步态康复训练机器人的稳定性，而且为提高刚柔混联下肢步态康复训练机器人稳定性的方法、控制策略和安全性保障提供参考。
附图说明
图1位本发明实施中柔索拉力性能因子和速度相关示意图。
图中：O-xy为分析参考坐标系；B1为刚性支链；v为脚踏板的当前运动速度；vB1为刚性支链B1的当前运动速度；B2为驱动收/放线轮；B3为驱动收/放线轮；L1为柔索长度；L2为柔索长度；L3为柔索长度；t1为L1的柔索拉力；t2为L2的柔索拉力；t3为L3的柔索拉力；O2为脚踏板。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明的目的是为了解决上述问题，提供了一种刚柔混联下肢步态康复训练机器人运动稳定性评价方法，填补目前刚柔混合驱动牵引并联机器人稳定性评价指标以及评价方法考虑因素单一等不足，为提升刚柔混联下肢步态康复训练机器人稳定性能力奠定研究基础。
结合图1，本发明提供了一种刚柔混联下肢步态康复训练机器人运动稳定性评价方法，包括如下步骤：
S1.首先，根据刚柔混联下肢步态康复训练机器人刚性支链B1运动规划和广义动力学模型JT＝F(其中J为刚柔混联下肢步态康复训练机器人的雅克比矩阵，T为机器人柔索拉力矩阵，F为广义力矩阵)与柔索拉力优化解，定义两个柔索拉力性能因子，用以描述刚柔混联下肢步态康复训练机器人在最小约束方向上的柔索拉力对脚踏板运动稳定性的影响；脚踏板在当前所处位置时的最小柔索拉力用tcmin表示，脚踏板在当前所处位置时的最大柔索拉力用tcmax表示，脚踏板在工作空间内所有位置点的最小柔索拉力的最大值用
Figure BDA0002591064270000041
表示，提出两个柔索拉力性能因子
Figure BDA0002591064270000042
和
Figure BDA0002591064270000043
其中
Figure BDA0002591064270000044
表示踝关节在当前所处位置时柔索拉力的分布均匀程度的评价指标，
Figure BDA0002591064270000045
表示当前柔索拉力在整个可行工作空间内的分布均匀程度的评价指标，分别表示为：
Figure BDA0002591064270000051
Figure BDA0002591064270000052
其中柔索拉力的计算：
tcmin＝min(T) (3)
tcmax＝max(T) (4)
Figure BDA0002591064270000053
其中，tmin表示在整个工作空间内所有位置点的最小柔索拉力向量，max(·)和min(·)分别表示柔索拉力向量的最大分量和最小分量。
S2.基于刚柔混联下肢步态康复训练机器人***的刚度模型K＝KS+KT，其中KS为***结构刚度矩阵，KT为***柔索拉力刚度矩阵，脚踏板在x轴方向的刚度用Kx表示，脚踏板沿y轴方向的刚度用Ky表示，脚踏板在当前位置各运动方向上的最小刚度用Kcmin表示，脚踏板在当前位置各运动方向上的最大刚度用Kcmax表示，当前***刚度矩阵的最小奇异值用σcmin表示，康复机器人在整个工作空间内所有位置点***刚度矩阵的最小奇异值的最大值用
Figure BDA0002591064270000054
表示；提出两个***刚度性能因子
Figure BDA0002591064270000055
和
Figure BDA0002591064270000056
来评价当前位置的刚度和整个工作空间内的刚度分布情况，分别表示为：
Figure BDA0002591064270000057
Figure BDA0002591064270000058
S3.为了衡量刚柔混联下肢步态康复训练机器人脚踏板和刚性支链B1的运动速度对其运动稳定性影响，提出运动速度影响函数f(v)和f(vB1)，其中，v表示脚踏板的当前运动速度，vB1表示刚性支链B1的当前运动速度，由机器人结构、柔索性能、电机性能和患者安全性考虑所确定的脚踏板最大运动速度用vmax表示，由电机性能、柔索性能、刚性支链中丝杠特性和患者安全性考虑所确定的刚性支链B1的最大运动速度用
Figure BDA0002591064270000059
表示，定义两个运动速度影响函数，分别表示为：
Figure BDA0002591064270000061
Figure BDA0002591064270000062
S4.综合式(1)、(2)、(6)、(7)、(8)和(9)，提出了刚柔混联下肢步态康复训练机器人脚踏板的动态运动稳定性评价指标S，其数值的大小表示称为运动稳定裕度，可表示为：
Figure BDA0002591064270000063
式中，
Figure BDA0002591064270000064
η1和η2为加权系数，且有
Figure BDA0002591064270000065
η1+η2＝1。
对于加权系数的选取原则：加权系数
Figure BDA0002591064270000066
η1和η2的取值大小由机器人结构参数、柔索拉力优化函数、所述刚性支链B1的运动规划和对应的所述柔索拉力性能因子
Figure BDA0002591064270000067
和
Figure BDA0002591064270000068
所述***刚度性能因子
Figure BDA0002591064270000069
和
Figure BDA00025910642700000610
所述速度影响函数f(v)和f(vB1)对脚踏板运动稳定性的贡献大小共同确定；加权系数
Figure BDA00025910642700000611
η1和η2的取值范围为[0,1]，且有
Figure BDA00025910642700000612
η1+η2＝1。
对于确定构型和柔索拉力优化函数的情况下，由于
Figure BDA00025910642700000613
和
Figure BDA00025910642700000614
反映了柔索拉力性能因子和***刚度性能因子对康复机器人整个工作空间内的运动稳定性贡献的大小，而对于整个工作空间的运动稳定性评价来说柔索拉力性能因子
Figure BDA00025910642700000615
和***刚度性能因子
Figure BDA00025910642700000616
的贡献时相同的，因此，所示加权系数
Figure BDA00025910642700000617
Figure BDA00025910642700000618
和
Figure BDA00025910642700000619
反映了柔索拉力性能因子和***刚度性能因子对当前运动稳定性贡献的大小。如果柔索拉力性能因子
Figure BDA00025910642700000620
和***刚度性能因子
Figure BDA00025910642700000621
对当前运动稳定性贡献的大小相同，则加权系数
Figure BDA00025910642700000622
如果柔索拉力性能因子
Figure BDA00025910642700000623
对当前运动稳定性贡献比***刚度性能因子
Figure BDA00025910642700000624
对当前运动稳定性贡献大，则加权系数
Figure BDA00025910642700000625
如果柔索拉力性能因子
Figure BDA00025910642700000626
对当前运动稳定性贡献比***刚度性能因子
Figure BDA00025910642700000627
对当前运动稳定性贡献小，则加权系数
Figure BDA00025910642700000628
所述刚柔混联下肢步态康复训练机器人脚踏板的动态运动稳定性评价指标S的合理取值范围为[0,1]，当S趋近于0时，表示刚柔混联下肢步态康复训练机器人脚踏板的运动稳定性程度较差，当S趋近于1时，表示刚柔混联下肢步态康复训练机器人脚踏板的运动稳定性程度较好。
由上述具体实施描述可知，通过上述计算过程和以实现刚柔混联下肢康复训练机器人的运动稳定性程度(即稳定裕度)，还可以通过动态运动稳定性评价指标S数值的大小定量评价该机器人的稳定程度。
本发明所述的具体实施方式并不构成对本申请范围的限制，凡是在本发明构思的精神和原则之内，本领域的专业人员能够做出的任何修改、等同替换和改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种刚柔混联下肢步态康复训练机器人的运动稳定性评价方法，其特征在于：步骤如下：
步骤一：根据刚柔混联下肢步态康复训练机器人刚性支链运动规划和广义动力学模型与柔索拉力优化解，定义两个用以描述刚柔混联下肢步态康复训练机器人在最小约束方向上的柔索拉力对脚踏板运动稳定性的影响的柔索拉力性能因子
Figure FDA0002591064260000011
和
Figure FDA0002591064260000012
Figure FDA0002591064260000013
Figure FDA0002591064260000014
其中：
Figure FDA0002591064260000015
表示踝关节在当前所处位置时柔索拉力的分布均匀程度的评价指标，
Figure FDA0002591064260000016
表示当前柔索拉力在整个可行工作空间内的分布均匀程度的评价指标，tcmin表示脚踏板在当前所处位置时的最小柔索拉力，tcmax表示脚踏板在当前所处位置时的最大柔索拉力，
Figure FDA0002591064260000017
表示脚踏板在工作空间内所有位置点的最小柔索拉力的最大值；
步骤二：基于刚柔混联下肢步态康复训练机器人***的刚度模型，提出两个评价当前位置的刚度和整个工作空间内的刚度分布情况的***刚度性能因子
Figure FDA0002591064260000018
和
Figure FDA0002591064260000019
Figure FDA00025910642600000110
Figure FDA00025910642600000111
其中：Kcmin表示脚踏板在当前位置各运动方向上的最小刚度，Kcmax表示脚踏板在当前位置各运动方向上的最大刚度，σcmin表示当前***刚度矩阵的最小奇异值，
Figure FDA00025910642600000112
表示康复机器人在整个工作空间内所有位置点***刚度矩阵的最小奇异值的最大值；
步骤三：得出运动速度影响函数f(v)和f(vB1)：
Figure FDA00025910642600000113
Figure FDA00025910642600000114
其中，v表示脚踏板的当前运动速度，vB1表示刚性支链B1的当前运动速度，vmax表示由机器人结构、柔索性能、电机性能和患者安全性考虑所确定的脚踏板最大运动速度，
Figure FDA0002591064260000021
表示由电机性能、柔索性能、刚性支链中丝杠特性和患者安全性考虑所确定的刚性支链B1的最大运动速度；
步骤四：根据步骤一至步骤三，得到刚柔混联下肢步态康复训练机器人脚踏板的动态运动稳定性评价指标S为：
Figure FDA0002591064260000022
式中：
Figure FDA0002591064260000023
η1和η2为加权系数，且有
Figure FDA0002591064260000024
η1+η2＝1。
2.根据权利要求1所述的一种刚柔混联下肢步态康复训练机器人的运动稳定性评价方法，其特征在于：步骤一中的柔索拉力分别为：
tcmin＝min(T)
tcmax＝max(T)
Figure FDA0002591064260000025
其中，tmin表示在整个工作空间内所有位置点的最小柔索拉力向量，max(·)和min(·)分别表示柔索拉力向量的最大分量和最小分量，T为机器人柔索拉力矩阵。
3.根据权利要求2所述的一种刚柔混联下肢步态康复训练机器人的运动稳定性评价方法，其特征在于：所述加权系数
Figure FDA0002591064260000026
η1和η2的取值大小由机器人结构参数、柔索拉力优化函数、刚性支链的运动规划和对应的所述柔索拉力性能因子
Figure FDA0002591064260000027
和
Figure FDA0002591064260000028
***刚度性能因子
Figure FDA0002591064260000029
和
Figure FDA00025910642600000210
速度影响函数f(v)和f(vB1)对脚踏板运动稳定性的贡献大小共同确定。
4.根据权利要求3所述的一种刚柔混联下肢步态康复训练机器人的运动稳定性评价方法，其特征在于：所述加权系数
Figure FDA00025910642600000211
η1和η2的取值范围均为[0,1]。
5.根据权利要求1-4任意所述的一种刚柔混联下肢步态康复训练机器人的运动稳定性评价方法，其特征在于：所述刚柔混联下肢步态康复训练机器人脚踏板的运动稳定性评价指标S的取值范围为[0,1]，当S趋近于0时，表示刚柔混联下肢步态康复训练机器人脚踏板的运动稳定性程度较差，当S趋近于1时，表示刚柔混联下肢步态康复训练机器人脚踏板的运动稳定性程度较好。
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