[發(fā)明專(zhuān)利]一種移乘護(hù)理機(jī)器人的行為安全控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710307623.7
• 申請(qǐng)日: 2017-05-03
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107088128B
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-03-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉今越;路浩;李路;王寧;劉秀麗;王旭之;顧立振
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 河北工業(yè)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): A61G7/14
• 分類(lèi)號(hào): A61G7/14
• 代理公司: 天津翰林知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 12210
• 代理人: 李濟(jì)群;付長(zhǎng)杰

1.一種移乘護(hù)理機(jī)器人的行為安全控制方法，所述移乘護(hù)理機(jī)器人采用前抱式的方式進(jìn)行移乘，包括下部固定部分和上部支撐部分，下部固定部分和上部支撐部分通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)臂連接，護(hù)理機(jī)器人上部支撐部分能?chē)@下部固定部分與轉(zhuǎn)動(dòng)臂連接處轉(zhuǎn)動(dòng)；上部支撐部分包括胸靠、腋下扶手，胸靠能繞轉(zhuǎn)動(dòng)臂與胸靠連接的鉸點(diǎn)處轉(zhuǎn)動(dòng)，腋下扶手能繞胸靠與腋下扶手的連接點(diǎn)處轉(zhuǎn)動(dòng)；其特征在于，

轉(zhuǎn)動(dòng)臂下端與下部固定部分的連接位置處安裝第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)和第一光電編碼器；上部支撐部分還包括握力手柄，胸靠和腋下扶手主要起承重作用，握力手柄主要為檢測(cè)人體不合理姿態(tài)的作用，轉(zhuǎn)動(dòng)臂與胸靠的連接位置安裝電動(dòng)推桿和第二光電編碼器，腋下扶手和胸靠的連接位置安裝第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)和第三光電編碼器，在護(hù)理機(jī)器人的握力手柄處安裝握力傳感器，腋下扶手安裝扭矩傳感器，胸靠和腳踏板上均布置壓力傳感器，該方法包括以下步驟：

S1.構(gòu)建機(jī)器人姿態(tài)與人體重力分配的解算模型：

通過(guò)建立機(jī)器人姿態(tài)與人體重力分配的解算模型來(lái)得到機(jī)器人在任意姿態(tài)下的人體和機(jī)器人接觸位置的力；具體過(guò)程如下：

S1-1以護(hù)理機(jī)器人的轉(zhuǎn)動(dòng)臂下端與下部固定部分的連接位置為坐標(biāo)原點(diǎn)O，護(hù)理機(jī)器人的高度方向?yàn)閥方向，水平方向?yàn)閤方向，且豎直向上為y軸正方向，被護(hù)理者所在方向?yàn)閤軸正方向，建立xy直角坐標(biāo)系；轉(zhuǎn)動(dòng)臂的長(zhǎng)度為L(zhǎng)₂，下部固定部分的高度為L(zhǎng)₁，轉(zhuǎn)動(dòng)臂與x軸正方向的夾角為關(guān)節(jié)角θ，轉(zhuǎn)動(dòng)臂與胸靠的連接點(diǎn)記為M；將被護(hù)理者的身體分為上身軀干、大腿和小腿三部分，上身軀干、大腿和小腿的質(zhì)心分別記為A、B和C，對(duì)應(yīng)的三部分的長(zhǎng)度分別記為H1、H2和H3，上身軀干與x軸負(fù)方向的夾角為胸靠角度α，大腿與x軸正方向的夾角為β；被護(hù)理者的整體重心記為W，被護(hù)理者的身高為h，重力為g；腋下扶手與胸靠的初始角度為90°，按照人體各部分質(zhì)心位置和質(zhì)量的關(guān)系表得到三部分的相對(duì)人體總重的比例，在直角坐標(biāo)系下結(jié)合各部分的幾何關(guān)系計(jì)算得到三部分的質(zhì)心A、B、C在xy直角坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)，分別記為(X_A，Y_A)、(X_B，Y_B)、(X_C，Y_C)，三部分的質(zhì)心的坐標(biāo)均為包含參數(shù)L₁、L₂、θ、α，g、h的關(guān)系式，得到被護(hù)理者各部分的質(zhì)量和位置信息；

S1-2根據(jù)力矩合成法按照式(1)和(2)解算人體重心W的位置坐標(biāo)，即按照各力矩之和等于同矩心的各力之和的力矩，求出人體重心W的位置坐標(biāo)為(X_W，Y_W)；

G₁X_A+G₂X_B+G₃X_C＝gX_W (1)

G₁Y_A+G₂Y_B+G₃Y_C＝gY_W (2)

式中，G1代表上身軀干的重力，G2代表大腿部分的重力，G3代表小腿部分的重力；

S1-3在不考慮人體內(nèi)部復(fù)雜連接關(guān)系的條件下，將步驟S1-2得到的人體重心W的位置坐標(biāo)作為已知值，根據(jù)合力矩定理，將人體的總重力重新分配到機(jī)器人對(duì)人體的各個(gè)支撐位置，上半身由腋下和胸靠支撐，上半身支撐位置為轉(zhuǎn)動(dòng)臂與胸靠的鉸點(diǎn)M，M的坐標(biāo)記為(X_M，Y_M)，下半身由腳底踏板支撐，被護(hù)理者與腳踏板的接觸點(diǎn)N為下半身支撐位置，N的坐標(biāo)記為(X_N，Y_N)，將同一坐標(biāo)系下兩個(gè)支撐位置的坐標(biāo)帶入式(3)和(4)中，重新解算兩個(gè)支撐位置分力的大??；

gX_W＝F_sX_M+F_XX_N (3)

gY_W＝F_sY_M+F_XY_N (4)

式中，F(xiàn)_S為上半身支撐力，F(xiàn)_X為下半身支撐力，

從而得到機(jī)器人姿態(tài)與人體重力分配的解算模型為：

F_S＝f₁(L₁,L₂,θ,α,g,h)

F_X＝f₂(L₁,L₂,θ,α,g,h)

模型中，函數(shù)f₁和f₂分別表示自變量為機(jī)器人下部固定部分高度L₁、轉(zhuǎn)動(dòng)臂長(zhǎng)度L₂、轉(zhuǎn)動(dòng)臂關(guān)節(jié)角度θ、胸靠角度α、人體重力g和身高h(yuǎn)的關(guān)于上半身支撐力和下半身支撐力的關(guān)系式；

該解算模型將人體分為上半身和下半身，上半身的總重量等于上半身支撐力F_S，上半身的重量主要由腋下扶手和胸靠?jī)刹糠种纹胶猓瑒t得到式(5)，即上半身的總重量等于腋下力和胸靠力的矢量和，

S2.構(gòu)建護(hù)理機(jī)器人動(dòng)作的期望軌跡：

在兩名試驗(yàn)者身體的主要關(guān)節(jié)處均貼高光亮片，通過(guò)錄像設(shè)備記錄人背人過(guò)程，根據(jù)被背者的主觀感受來(lái)采集合適的實(shí)驗(yàn)樣本，多次采集實(shí)驗(yàn)樣本，刪除人體不舒適的實(shí)驗(yàn)樣本，將人體舒適的實(shí)驗(yàn)樣本作為合理樣本，然后對(duì)合理樣本的整個(gè)過(guò)程中的高光亮片點(diǎn)的軌跡進(jìn)行描點(diǎn)，綜合多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到一個(gè)理想的軌跡，將此軌跡作為護(hù)理機(jī)器人動(dòng)作的期望軌跡，并將此期望軌跡輸入至護(hù)理機(jī)器人的上位機(jī)系統(tǒng)；

S3.將被護(hù)理者的身高、體重信息輸入至護(hù)理機(jī)器人的上位機(jī)系統(tǒng)，由上位機(jī)系統(tǒng)根據(jù)人體各部分質(zhì)心位置和質(zhì)量的關(guān)系得到該被護(hù)理者的肢體各部分尺寸和質(zhì)量信息；同時(shí)將護(hù)理機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)、人體正常狀態(tài)下的腦電波信號(hào)樣本和合理的握力手柄的握力值范圍提前輸入至上位機(jī)系統(tǒng)；

S4.護(hù)理機(jī)器人按照預(yù)先設(shè)定的期望軌跡動(dòng)作：

通過(guò)第一光電編碼器和第二光電編碼器，實(shí)時(shí)測(cè)量護(hù)理機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)臂和胸靠的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，根據(jù)所測(cè)得的角度來(lái)控制機(jī)器人的當(dāng)前軌跡跟蹤預(yù)先設(shè)定的期望軌跡，采取穩(wěn)定控制策略，同時(shí)實(shí)時(shí)采集握力手柄處的握力值和被護(hù)理人的腦電波信號(hào)，當(dāng)采集的握力手柄握力值和腦電波信號(hào)同時(shí)超出提前輸入上位機(jī)系統(tǒng)的預(yù)設(shè)樣本的合理范圍，立刻跳到步驟S5；

S5.當(dāng)穩(wěn)定控制策略出現(xiàn)不合理狀態(tài)時(shí)，上位機(jī)系統(tǒng)將第一光電編碼器和第二光電編碼器采集的護(hù)理機(jī)器人的轉(zhuǎn)動(dòng)臂關(guān)節(jié)角θ和胸靠角度α發(fā)送到解算模型中，通過(guò)機(jī)器人姿態(tài)與人體重力分配的解算模型計(jì)算得到當(dāng)前時(shí)刻上半身支撐力F_S；再通過(guò)第三光電編碼器采集腋下扶手與胸靠的相對(duì)角度，利用式(5)得到胸靠、腋下扶手兩個(gè)接觸位置的理論接觸力；

S6.調(diào)整不合理姿態(tài)：

將步驟S5計(jì)算得到當(dāng)前時(shí)刻腋下扶手、胸靠?jī)蓚€(gè)接觸位置的理論接觸力和由腋下扭矩傳感器和胸靠壓力傳感器測(cè)得的實(shí)際接觸力進(jìn)行對(duì)比匹配，得到誤差值ΔF，然后控制器發(fā)送相關(guān)指令改變轉(zhuǎn)動(dòng)臂與胸靠連接位置處的電動(dòng)推桿行程和腋下扶手與胸靠連接位置處第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，來(lái)調(diào)整胸靠角度α和腋下扶手與胸靠的相對(duì)角度，使誤差值ΔF不大于±1N，然后跳回步驟S4。