[發明專利]一種具有人機交互動力學模型的外骨骼式上肢康復機器人

有效

• 申請號: 201510895139.1
• 申請日: 2015-12-08
• 公開（公告）號: CN105437209B
• 公開（公告）日: 2018-07-24
• 發明（設計）人: 李醒;王曉峰;王建輝;丁進良
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: B25J9/00
• 分類號: B25J9/00;A61H1/02
• 代理公司: 沈陽晨創科技專利代理有限責任公司 21001
• 代理人: 樊南星

1.一種具有人機交互動力學模型的外骨骼式上肢康復機器人，首先在康復訓練中將人體上肢看作具有三個自由度的二連桿機械臂，其中：肩部兩個自由度，肘部一個自由度；然后將人體動力學模型與外骨骼式康復機器人的動力學模型相結合，形成外骨骼式上肢康復機器人的人機交互動力學模型；其中，關節角度與力矩值由安裝在外骨骼機械臂中活動關節上的角度與力矩傳感器測量所得；所述外骨骼式上肢康復機器人人機交互動力學模型采用了基于偽慣量矩陣的拉格朗日動力學建模方法，通過整合化簡得到了一個具有19個參數的人機交互動力學模型；通過建立機器人系統的圖示化模型并與控制器及其動態系統相連進行綜合仿真比較，表明運用該方法建立的數學模型能夠在一定程度上體現外骨骼與人體之間的動力學交互關系；確定控制參數根據關節力矩估計值與實測力矩值的比較判斷患者的運動意圖；

當外骨骼式上肢康復機器人各關節力矩傳感器測得的力矩實際值與人機交互模型計算出的各關節角度力矩估算值相比較所得偏差值小于0時，表明人體上肢向此關節運動正方向施加了力矩，人體上肢的運動意圖為向正向旋轉；反之，如果偏差值大于0時，則表明人體上肢向此關節運動反方向施加了力矩，人體上肢的運動意圖為向反向旋轉；而當偏差值等于0時，表明人體上肢沒有施加任何力矩，沒有運動意圖；

其特征在于：建立外骨骼式上肢康復機器人的動力學模型，具體要求是：

根據D-H參數法建立外骨骼式上肢康復機器人坐標變換關系，并由此獲得坐標變換D-H參數表；

利用拉格朗日方法忽略摩擦力的影響建立外骨骼式上肢康復機器人動力學模型，模型的標準形式如式（1）所示：

(1)

式（1）中分別表示機械臂關節的角度、角速度和角加速度；是一個的慣性矩陣；為的非線性哥氏力和向心力矢量；為的重力矢量；是一個的關節控制輸入力矩矢量；

、和的元素包含了各相關桿件的慣性參數，即剛體的十個常量，列于式（2）所示：

(2)

式（2）中，為連桿的質量，為相對于坐標系的三維質量慣性矩，為相對于坐標系的三維質量慣性積，為連桿質心的三維坐標；

將式（1）所示外骨骼動力學模型用式（2）所示各桿件的慣性參數表示，在對其進行非線性組合并整理歸納將模型轉化為如式（3）所示的線性形式：

(3)

式（3）中，分別表示外骨骼的角度、角速度和角加速度；是一個的矢量，表示外骨骼各關節的力矩；是一個的矩陣，代表回歸變量；是一個的矢量，代表動力學模型的慣性參數；

與中的元素分別定義如下：

其中為D-H參數表中的運動學參數，長分別為連桿i的質心在x,y,z軸向的距離；

如上過程能夠建立外骨骼式上肢康復機器人的動力學模型。

2.按照權利要求1所述外骨骼式上肢康復機器人的人機交互動力學模型，其特征在于：建立人體上肢的動力學模型；具體要求是：

按照與權利要求1所述同樣的方法，建立人體上肢動力學模型如式（4）：

(4)

式（4）中，分別表示人體上肢關節的角度、角速度和角加速度；是一個的矢量，表示人體上肢各關節的力矩；是一個的矩陣，代表回歸變量；是一個的向量，代表動力學模型的慣性參數。