CN114948586B - 一种下肢康复机器人的人机***运动学参数辨识及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种下肢康复机器人的人机***运动学参数辨识及控制方法，实现了下肢康复机器人使用过程中对使用者下肢参数的自动测量和对使用者下肢状态的控制，包括：利用固定在下肢的倾角传感器读取下肢姿态并控制机器人带动使用者下肢运动，在运动过程中实时采集数据进行人机运动学参数的辨识计算；建立关节空间和训练空间的映射关系；根据建立好的映射关系对将预设好的人体下肢运动轨迹映射为下肢康复机器人的运动轨迹，通过对下肢康复机器人进行位置控制带动使用者下肢进行康复训练，最后通过无模型控制方法控制人体下肢达到指定位置，消除映射关系不准确带来的影响。本发明实现了下肢康复机器人使用过程中对人体下肢姿态的准确控制。

Description

一种下肢康复机器人的人机***运动学参数辨识及控制方法
技术领域
本发明涉及一种下肢康复机器人的人机***运动学参数辨识及控制方法，用于实现下肢康复机器人使用过程中对人机***运动学参数的自动识别和对使用者下肢姿态的控制。
背景技术
21世纪是人口老龄化的时代，人口老龄化带来的最显著影响就是由于身体衰老而出现的肢体运动障碍，肢体运动障碍已经成为老年人必须面对的一大问题。康复训练机器人作为一种新型机器人，近年来吸引着越来越多研究人员的目光。康复训练机器人可以帮助患者完成指定运动功能的恢复训练与传统依赖于治疗师经验的康复训练相比，康复训练机器人可以在节省治疗师时间的同时，帮助不同患者执行对应康复训练并对患者实时状态进行评估。近年来的研究表明，在康复训练机器人的帮助下，患者对应运动机能可以得到很好的恢复。
目前的下肢康复机器人大多是通过控制机器人末端位置带动下肢进行运动，在此过程中并不能控制下肢的具体状态，一旦末端轨迹规划不合理，则可能对肢体造成损伤。因此，对人机***运动学参数进行辨识、建立起训练空间与关节空间的映射关系并以此对下肢状态进行控制具有十分重要的现实意义。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种下肢康复机器人的人机***运动学参数辨识及控制方法，通过采集人体下肢的状态对人机***运动学参数进行辨识，建立关节空间和训练空间的映射，实现对人体下肢状态的准确控制，以提高康复效果。
为了实现上述目的，本发明提供一种下肢康复机器人的人机***运动学参数辨识及控制方法，所述人机***为使用者髋关节位置固定，使用者足跟与下肢康复机器人末端固定的***，所述人机***运动学参数辨识方法辨识的参数包括人体下肢长度和人体与下肢康复机器人相对位置；所述运动控制方法将人体下肢规划的运动轨迹态映射为下肢康复机器人的运动轨迹，并利用速度和位置伺服控制康复机器人运动；
所述误差补偿方法在下肢康复机器人运动到指定位姿后，读取使用者下肢实际位姿，使用无模型控制方法来消除因映射关系不准确带来的误差，使使用者下肢实际位姿收敛于期望位姿。
所述的下肢康复机器人的人机***运动学参数辨识及控制方法包括如下步骤：
S1.使用者佩戴下肢姿态检测传感器；
S2.控制下肢康复机器人牵引使用者下肢运动，采集机器人及使用者下肢实时位姿数据；
S3.根据S2中采集的数据，人机***运动学参数辨识方法对人体下肢长度和人体与下肢康复机器人相对位置进行辨识；
S4.依据S3中的辨识结果建立人体下肢运动和下肢康复机器人运动之间的映射关系；
S5.根据人体下肢规划的运动轨迹，使用运动控制方法控制康复机器人运动，从而带动使用者下肢沿规划的运动轨迹运动；
S6.依据人体下肢规划的运动轨迹，对实时测量到的下肢姿态使用误差补偿方法进行补偿，使使用者下肢实际位姿收敛至期望位姿，以消除映射误差带来的影响。
所述的人机***运动学参数辨识方法，其特征在于通过控制下肢康复机器人运动牵引使用者下肢运动至数个特定位姿，并使用下肢姿态检测传感器实时检测人体下肢的姿态，得到多个时刻使用者大腿与水平方向所成角度θ,小腿与水平方向所成角度α，建立起使用者下肢末端GR和使用者关节角度的映射关系f1：GR＝f1(θ,α)。
同时根据已有的康复机器人末端GH和机器人关节角度θR的映射关系f2：GH＝f2(θH)。
根据机器人滑块与人体下肢末端铰接即GR与GH相重合的关系，建立起康复机器人关节空间和训练空间的映射关系f3：θR＝f3(θ,α)。
对采集得到的康复机器人和使用者的关节角度根据上述映射关系进行求解即可得到使用者大腿长度、小腿长度以及使用者与下肢康复机器人的相对位置。
通过采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
本发明提供了一种下肢康复机器人的人机***运动学参数辨识及控制方法，实现了下肢康复机器人使用过程中对使用者下肢参数的自动测量和对使用者下肢状态的控制，包括：利用固定在下肢的倾角传感器读取下肢姿态并控制机器人带动人体下肢达到预定的数个姿态，根据目标姿态下机器人的姿态数据进行人机***运动学参数的辨识计算；建立关节空间和训练空间的映射关系；根据建立好的映射关系对人体下肢姿态进行控制并通过无模型方法对位置误差进行补偿。本发明实现了下肢康复机器人使用过程中对人体下肢姿态的控制，可以有效避免康复过程中造成的损伤并提高康复效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明的流程图。
图2是人机***运动学参数辨识示意图。
图3是运动控制方法。
图4是误差补偿方法。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
本文将以发明专利：ZL201910810162.4中的多功能训练轮椅为例说明本发明的实施方法。
如图2所示，1、2分别为固定在使用者大腿和小腿上的传感器、3为多功能训练轮椅坐垫、4为腿部挡板、5为滑块和踏板的连接体。
使用者坐在下肢康复机器人坐垫OA上，使用者髋关节I固定，足跟G与康复机器人滑块相铰接。
利用固定在腿部挡板AD上的倾角传感器读取下肢康复机器人腿部挡板与竖直面所成的角度θ1。
利用固定在丝杠上的编码器测量滑块沿腿部挡板方向的位移DG，该长度记为l4。
根据θ1和l4即可确定机器人滑块即使用者足跟G的实时位置。
利用固定在人体大腿IH和小腿HG的倾角传感器1和2读取大腿和小腿的实时倾角，如图二所示。
控制康复机器人运动牵引使用者下肢运动的过程中，实时记录使用者大腿与水平方向所成角度θ,小腿与水平方向所成角度α以及在此下肢姿态下足跟G位置(Gx,Gy),利用几何关系建立方程。
Figure GDA0004137418650000051
其中l1为坐标系原点O到使用者髋关节I的距离，l2和l3分别为人体大腿IH和小腿HG的长度。利用不同位置下建立的多组方程对所需运动需参数进行求解，将所得的结果取平均值来减小误差。
以下称康复机器人的滑块位移l4和腿部挡板AD与竖直面所成的角度θ1为关节空间θR，大腿和水平面的夹角θ和小腿与水平面间的夹角α为训练空间θH，GH为人体下肢末端的位置，GR为机器人滑块的位置。
建立起机器人滑块和关节空间的映射关系：
GR＝f1(θR)
建立起人体下肢末端和训练空间的映射关系
GH＝f2(θH)
根据机器人滑块与人体下肢末端铰接即GR与GH相重合的关系，建立起康复机器人关节空间和训练空间的映射关系。
θH＝f2 -1(f1(θR))＝f3(θR)
其中，f3为从关节空间到训练空间的映射关系。
该映射关系为训练空间到关节空间位置级的映射关系，求导后即可得到速度级的映射关系，至此，期望的人体下肢姿态或运动即可根据此映射关系映射到关节空间。
将人体下肢规划的运动轨迹映射到关节空间，得到下肢康复机器人的期望运动轨迹。
将下肢康复机器人的期望轨迹分解至各个关节，将关节的期望位置与关节的实际位置作差得到关节的位置误差，将其经过比例环节得到期望速度V′，通过实时采集关节的速度得到各关节的实际速度V，将期望速度和实际速度作差得到各个关节的速度误差VE。
将关节的速度误差经过比例积分环节得到调节系数μ，将该调节系数给到下肢康复机器人驱动器，驱动器根据传递来的调节系数进行驱动，控制康复机器人运动，牵引使用者下肢进行康复运动。
该部分的控制框图如图3所示，首先将人体下肢规划的运动轨迹映射为下肢康复机器人的期望运动轨迹，接下来通过位置环和速度环两环控制各个关节，使其达到目标角度，使下肢康复机器人到达期望姿态。
在下肢康复机器人达到期望姿态后，测量此时使用者下肢位姿，并利用误差补偿方法补偿因映射关系不准确而产生的实际下肢姿态和期望下肢姿态间的误差，使使用者下肢实际位姿收敛至期望位姿。
误差补偿方法如图4所示，在完成对下肢康复机器人控制的基础上，使用无模型控制方法对使用者下肢姿态进行控制，进一步提高控制的精度。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种下肢康复机器人的人机***运动学参数辨识方法，其特征在于所述人机***运动学参数辨识方法辨识的参数包括人体下肢长度和人体与下肢康复机器人相对位置；所述的下肢康复机器人的人机***运动学参数辨识方法包括如下步骤，其中下肢康复机器人包括固定在使用者大腿和小腿上的传感器，下肢康复机器人坐垫、腿部挡板以及滑块和踏板：
使用者坐在下肢康复机器人坐垫上，使用者髋关节固定，足跟与康复机器人滑块相铰接；利用固定在腿部挡板上的倾角传感器读取下肢康复机器人腿部挡板与竖直面所成的角度θ1；利用固定在丝杠上的编码器测量滑块沿腿部挡板方向的位移l4；根据θ1和l4即可确定机器人滑块即使用者足跟的实时位置；利用固定在人体大腿IH和小腿HG的倾角传感器1和2实时记录使用者大腿与水平方向所成角度θ,小腿与水平方向所成角度α以及在此下肢姿态下足跟位置(Gx,Gy),利用几何关系建立方程：
Figure FDA0004137418640000011
其中l1为坐标系原点O到使用者髋关节I的距离，l2和l3分别为人体大腿IH和小腿HG的长度；根据如上方程组，利用不同位置下建立的多组方程对所需运动需参数进行求解，将所得的结果取平均值来减小误差；康复机器人的滑块位移l4和腿部挡板AD与竖直面所成的角度θ1为关节空间θR，大腿和水平面的夹角θ和小腿与水平面间的夹角α为训练空间θH，GH为人体下肢末端的位置，GR为机器人滑块的位置，可建立起机器人滑块位置和关节空间的映射关系f1：
GR＝f1(θR)
可建立起人体下肢末端位置和训练空间的映射关系f2：
GH＝f2(θH)
根据机器人滑块与人体下肢末端铰接即GR与GH相重合的关系，建立起康复机器人关节空间和训练空间的映射关系：
θH＝f2 -1(f1(θR))＝f3(θR)
式中f3即为从关节空间到训练空间的映射关系。
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